稳健且经济高效的隔离型 DC/DC 转换器发展

隔离型电源转换器在实现现代、复杂、高效和安全的电子产品方面有着丰富的历史。关注电源转换器的关键特性非常重要，因为这些特性决定其隔离性能。通过维持负载侧的摩尔定律，同时优化磁性元件等关键元件的制造、成本和可靠性，以及在供应侧推动其他先进封装技术，这些特性驱动许多关键因素，共同构成现代先进电源。

隔离型 DC/DC 转换器已经实现了无数原本不可能实现的应用。广泛应用于医疗电源、高速通信总线、离线电源解决方案、电机驱动器和高电压用例领域，并且表现突出。

此外，可以认为隔离型 DC/DC 转换器最有价值的贡献在于其隔离功能。能够安全地处理高电压和/或大功率，这是电力电子技术对社会的重要贡献。许多人可能并不了解这些，也不欣赏这些支持技术，但我相信他们在日常生活中对技术带来的结果感到满意。作为电力电子工程师（或相关人员），我们非常习惯于成为无名英雄，让世界上所有电子设备“秘密”运行，即使用户认为是“黑魔法”或一无所知也没关系。

首先，我们应该了解隔离的定义以及应用于 DC/DC 转换器的方式。电气隔离是导体之间的物理分离，防止电流在导体之间直接流动 [1]。评估系统中是否存在任何隔离级别的最快测试是评估两个目标之间的接地电位。隔离电路之间的接地应处于独立（又称浮动）电位。除了安全需求之外，DC/DC 转换器中的浮动接地还有几种实际用途，稍后将对此进行介绍。

电源转换电路使用许多不同类型、方法和实施方式的隔离，因此我们将在此快速概述其中最突出的部分。隔离的分类完全取决于物理隔离技术，通常在变压器组装/结构中通过物理间距来实现。下表更全面地概述了 DC/DC 转换器的隔离及其实施。


值得注意的是，隔离需求的要求和考虑因素取决于许多不同的工业/安全标准，而这些标准在很大程度上取决于应用程序和/或使用地理位置。因此，请务必在设计过程早期就了解系统的所有安全/认证要求。必须研究手头应用的具体要求，因为指标、间距（2D 和 3D）、隔离级别和验证测试方法/设置可能会有很大差异，并且通常会对顺利开发和意外成本/时间预算超支造成影响。例如，请参阅以下摘录，了解 IPC-9592B 中非绝缘导体的电压间距要求。虽然摘录明确指出了基于导体电位的最小间距，但也指出相关标准（在本例中为 IEC 60950）中的爬电距离/电气间隙要求可能更为严格，应予以优先考虑。支持医疗和/或高可靠性应用还需要许多特定于应用的指南/要求。



虽然隔离通常在变压器结构中实现，但也可以采用其他方式实现，尤其是对于较小的信号（即控制反馈、数字通信等）。在汽车和工业应用中，通信总线（例如 CAN 总线）通常使用小型隔离 DC/DC 来隔离，或使用电容隔离来实现数字信号的隔离。来自隔离电源转换器输出端的小信号反馈信息可以通过光隔离器反馈到输入端。光隔离器可将信号的电能转换为光能，然后再转换回电能，从而传递关键的控制信息，同时保持输入和输出之间的电气隔离。

在变压器结构/材料、3D 电源封装 (3DPP^R) 技术以及其他新颖的几何形状和制造工艺领域，现代技术已经取得了巨大进步。通过增强绝缘等级和改进组装技术，设计可以在缩小解决方案整体尺寸的同时满足隔离要求，并利用更多自动化制造过程的优势。这样不仅提高了整体质量和可靠性，同时也能够利用规模经济，确保在提升稳健性和功率密度的同时不会增加成本。一个典型的例子是，之前需要手动绕制的环形磁芯现在通过实施一种平面结构而实现自动化控制，该结构将绕组嵌入到印刷电路板 (PCB) 中，并直接将磁芯材料与周围的材料紧密结合。