采用 20 kVDC 隔离电压的 DC/DC 转换器

目录

1.引言
2.对采用极高隔离电压的 DC/DC 转换器的需求

1.引言

直流高电压广泛应用于工业、医疗、材料科学和电子产品领域。边境管制的安全性在很大程度上依赖于托运行李和包裹的 X 射线扫描器、用于“嗅探”爆炸性化合物的质谱系统、扫描车辆以检测走私货物、偷渡者和非法武器的紧凑型线性加速器 (LINAC)。在医疗领域，不仅 X 射线和 CT 诊断需要使用高电压直流电源，肿瘤治疗、重建手术和图像引导手术的 3D 成像也需要使用。随着人口老龄化，核成像、骨密度测量和牙齿成像等诊断工具，对于研究痴呆症、骨质疏松症和牙齿疾病（所有与年龄相关的常见疾病）变得愈加重要。工业级 X 射线探测器可在生产工厂进行液体和固体物位测量，不会因刺穿储罐插入传感器而导致污染或泄漏，因而也可用于卫生食品生产。在研究机构，可以利用溅射、离子沉积、激光和等离子束产生或分析新型化合物和结构。不仅光束电子设备需要高电压直流电源，这些系统所依赖的高真空分子泵也需要。

2.对采用极高隔离电压的 DC/DC 转换器的需求

所有这些不同的检测系统都有一个共性：使用高电压直流电源。产生连续高电压直流电源的最常见方法是使用稳压低电压电源为高电压倍增器供电（图 1）。高输出电压由一个长的分压器链检测并回馈，以控制低电压电源。输出电流在倍增器输入端基板的共地点和浮地点之间测量。

图 1：具有电压反馈和接地电流监测的典型高电压直流电源

这种拓扑结构简单、价格便宜，并且安全可靠（前提是基板接地连接良好且处于相同电位）。但若在系统中加入一个外部传感器来测量应用内部的真空管的硬度，就有可能通过接地传感器输出产生二次泄露电流。该电流会从返回电流中扣除，因此会给出错误读数（图 2）。此外，基板接地点与传感器接地点之间的任何电位差都可能产生潜在危险泄漏电压。

图 2：泄露电流导致返回电流读数错误

解决这一问题的方法是隔离传感器输出，从而完全阻断泄露电流路径，但这需要一个能够承受隔离边界上极高电压差的隔离式直流电源（图 3）。

图 3：使用隔离式 DC/DC 和光耦合器来消除泄露电流

IEEE 推荐的高电压大功率测试安全实践指南 (IEEE 510-1883) 要求“…测量设备应针对电源电压进行适当绝缘。”RECOM 的 RHV2 和 RHV3 DC/DC 转换器的设计可满足此类应用的严苛要求。这些转换器具有 20 kVDC 增强隔离（12.5 kVAC/1 min），并且输入和输出引脚之间的间隙超过 30 mm，减少了电弧放电的可能性。可提供单极性或双极性电压输出，为各种传感器、放大器或换能器供电。由于 X 射线靶或真空泵系统产生热量，一些高电压应用会在高温下工作，RHV2 系列 (2 W) 经过认证，可在 -40°C 至 +85°C 的整个工业温度范围内工作，不会出现降额。RHV3 可提供 1 W 以上的输出功率 (3 W)，但工作温度范围降至 +80°C，不会出现降额。
不仅高压电源需要高隔离，使用 IGBT、SiC 或 GaN 晶体管的大功率开关电路栅极驱动器也需要高隔离电压，这些驱动器需要高隔离 DC/DC 电源，尤其是在高压侧或多级引脚上，其中开关电压高达 6500 V，用于牵引应用。隔离式 DC/DC 转换器为直接位于开关节点顶部的隔离式栅极驱动器供电，因此 DC/DC 转换器中的隔离屏障必须能够承受输出侧与接地输入侧之间的全部交流电压。在某些应用中，DC/DC 还提供安全隔离。
在栅极驱动器应用中，不仅隔离耐受电压重要，输入/输出电容也同样重要。如果耦合电容不是很低，那么交流电流将流过边界，从而消耗能量，并使绝缘体的温度升高。这会导致提早出现隔离故障。RHV2 和 RHV3 系列的耦合电容极低，最大值只有 4 pF，因此特别适合高电压栅极驱动器电源。