【技术】CMOS数字隔离技术，替代光电耦合器，助力光伏逆变器更高可靠性

时间： 2016-05-16 来源：Silicon Labs

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一百多年来火力发电设施已被证明是稳定和可靠的能量来源，但这些设施巨大而复杂，并且构建成本日益高涨。同时，以最小的碳排放和环境影响标准来运行这些设施也面临着极大挑战和成本压力。相比之下，现代光伏(PV)电力系统成为火力发电厂的合理替代方案，其可以提供更低的长期运行成本、模块化的可扩展性、更高效，同时碳排放比集中式发电设施低很多。光伏发电系统由多个部分组成，例如把光能转换成电能的光伏面板、机械、电气连接器、配件，以及把太阳能产生的电输送到电网过程中必不可少的太阳能逆变器等。

光伏逆变器要在高温和/或严寒中工作25年，我们在选择用于逆变器的元器件时要特别注意。很明显，一些元器件，例如用于滤波的电解电容和用于光电隔离的光电耦合器，不可能有25年的寿命。电解电容会干涸并枯竭，光电耦合器的LED亮度会逐渐暗淡，直到停止运行。对于这些脆弱元器件的解决方法是采用高质量的薄膜电容器(有更高可靠性，但也需要更高成本)进行替换。而最佳的长期解决方案是放弃光电耦合器而采用先进的CMOS工艺隔离元器件。

CMOS工艺技术提供高可靠性、低成本、高速率、小尺寸、低功耗、在极端电压和温度范围内运行稳定性，以及其他许多值得拥有的特性。与光电耦合器中所用的砷化镓(GaAs)工艺技术不同，采用CMOS工艺制造的器件没有内在机械磨损。底层CMOS隔离单元是电容性、全差分和高度优化的，这满足严格的时序性能、低功耗，以及由外场和快速共模瞬变而造成数据错误的高免疫力。事实上，将CMOS工艺技术结合专有的硅产品设计，其带来的优势使隔离器件更加牢靠，更“接近理想”隔离器件。与以前大家看到的有所不同，这些器件提供更完整的功能集成度、大幅提高可靠性(60年以上的隔离栅寿命)；可在最大VDD下，支持-40℃到+125℃连续运行温度范围，大幅提高性能、降低功耗、节省电路板面积并提高易用性。

21世纪光伏逆变器元器件解决方案

如图1所示，光伏逆变器的结构并非仅限于单相、基于变压器的逆变器。其他常见类型包括：高频率、双极型、三相无变压器和电池供电逆变器。虽然其拓扑结构彼此不同，但通常共用相同的元器件解决方案。框图2中显示几个使用在基于变压器、三相逆变器的 CMOS工艺隔离器件。

图1：单级、单相逆变器框图

使用CMOS隔离器件的三相逆变器

图2：使用CMOS隔离器件的三相逆变器

这是一个典型的闭环结构，数字控制器调节电源开关的占空比，迫使光伏发电系统输出电压的幅值和相位与电网需求精确匹配。隔离门驱动器在单一封装中集成安全认证过的电气隔离(1kV、2.5kV或5kV等级)和高压侧(high-side)电平转换功能，不需要外部隔离器件。每个驱动器输出与其他输出隔离，使正负电压输出可以混合使用，而不会产生闭锁效应(latch-up)。

反馈到控制器的电流由一个4mm x 4mm x 1mm的CMOS隔离交流电流感应器提供(其1kV 隔离等级受限于封装，更大封装版本有高达5kVrms等级)。此单芯片感应器具有比电流感应变压器更宽的温度范围、更高精度及可靠性。该传感器在每个周期复位，由数字控制器产生的逆变器门控制信号产生周期信号，从而无需外部复位电路。电网反馈是系统反馈控制机制的重要组成部分。电阻衰减器用于降低电网电压到PWM调制器兼容的范围，把正弦波输入转换成一个离散的PWM波形，并且由CMOS数字隔离器安全隔离。

光伏发电系统对于发电领域来说是一项相对较新的技术。和其他新兴技术一样，光伏发电系统将随着技术的成熟而迅速变化，其无疑将持续发展，以满足市场对更高容量、更低成本和更高可靠性的需求。当出现这些需求时，光伏逆变器将在功能性上进一步扩展，设计人员将需要更高集成度、特定应用相关的元器件级装置，这将进一步促进和推动CMOS工艺隔离技术的创新。随着不断发展，光伏发电系统将变得更加普遍，最终成为公共服务设施中的主流，从而大大减少我们对火力发电的依赖。

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阿尼古 Lv8. 研究员 2023-06-21

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用户95404288 Lv8. 研究员 2018-11-12

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terrydl Lv9. 科学家 2018-08-09

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scjzlq Lv6. 高级专家 2017-12-30

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2019/1/14 - SILICON LABS - 选型指南代理服务技术支持现货查询批量订货

【产品】3通道超低功耗数字隔离器Si8430、Si8431和Si8435完美应用于工业自动化中

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2019-01-04 - 新产品代理服务技术支持现货查询批量订货

Enhancing Data Integrity and Reliability of Smart Metering Solutions with CMOS Digital Isolators

型号- SI86XX

2017/07/27 - SILICON LABS - 白皮书 - Rev 1.0 代理服务技术支持现货查询批量订货查看更多版本

【产品】隔离器评估板Si87xx-EVB，可实现Si87xx系列数字隔离器四种封装的性能评估

Si87xx-EVB评估板可以使得设计人员快速评估Silicon Labs基于CMOS的LED仿真输入隔离器Si87xx系列。该系列隔离器属于引脚兼容的单通道直接替代性产品，适用于替换目前市场上流行的光耦合器。Si87xx系列数据传输速率高达15 Mbps，其可以隔离高速信号，并且能够提供高性能的优异表现，是传统光耦合器解决方案所无法比拟的。

2018-12-11 - 新产品代理服务技术支持现货查询批量订货

【产品】高达150 Mbps数据处理速率的超低功耗5通道数字隔离器

Si865X系列是由Silicon Labs（芯科科技）推出的超低功耗5通道数字隔离器，通过AEC-Q100认证。作为CMOS器件，与传统隔离技术相比，其具有相当大的数据处理速率，传播延迟，功耗，尺寸，可靠性和外部BOM的优势。Si865X系列数字隔离器支持高达150 Mbps的数据处理速率，所有器件均可实现小于10 ns的传播延迟。

2019-01-04 - 新产品代理服务技术支持现货查询批量订货

CMOS Digital Isolators Supersede Optocouplers in Industrial Applications

2017/12/21 - SILICON LABS - 技术文档 - Rev 0.3 代理服务技术支持现货查询批量订货

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2018-12-31 - 新技术代理服务技术支持现货查询批量订货

【产品】低功耗四通道数字隔离器Si864x系列，支持高达150 Mbps的数据速率

Silicon Labs推出的Si864x低功耗四通道数字隔离器系列是一种CMOS器件，与传统的隔离技术相比，它提供了诸如大量数据速率、传播延迟、功率、尺寸、可靠性和外部BOM等优势。Si864x支持高达150 Mbps的数据速率，所有设备的传输延迟均小于10 ns。

2020-10-15 - 新产品代理服务技术支持现货查询批量订货

【产品】可承受最高5000V隔离的CMOS数字隔离器，瞬态抗扰度可达45 kV/μs

全球领先的芯片、软件和解决方案供应商Silicon Labs（芯科科技）推出了一系列超低功耗CMOS数字隔离器——SI8410,SI8420,SI8421,SI8422和SI8423。该系列芯片与传统隔离技术芯片相比，可提供数据速率、传播延迟、功耗、尺寸、可靠性和外部BOM优势。这些芯片的工作参数可以在很宽的温度范围内和整个芯片的使用寿命内保持稳定性，可以简化设计，实现高度统一的性能。