在電動汽車、太陽能電池板和儲能系統中，高壓電源可實現更快的充電時間，最大限度地減少功率損耗，并提高設計可靠性。然而，高壓電流具有危險甚至致命的潛力，因此設計人員使用絕緣監控系統發送警報或斷開電源，以防止對應用或用戶造成傷害。快速準確地檢測絕緣故障對于最大限度地提高用戶安全性并最大限度地減少災難性斷電造成的損壞或火災至關重要。

絕緣監測的常見應用包括電池管理系統、儲能系統、組串式逆變器、直流快速充電器、直流壁掛式充電器、太陽能電池板、電機和飛機。但是，精度和耐壓測試要求可能使絕緣監測的設計具有挑戰性。

應對絕緣監測的設計挑戰

絕緣監控，也稱為絕緣檢查、隔離監控、隔離檢查、接地故障檢測或接地故障檢測，監控高壓端子和保護性接地/機箱接地之間的絕緣量。圖1顯示了絕緣監測的一種配置。絕緣監測電路的基本操作包括切換已知電阻（RDIV1/2、RDIV3/4）并求解方程組，以求出未知絕緣電阻（R牛膝草/1大）。

圖 1：絕緣監控配置

滿足嚴格的安全要求

安全標準要求制造商通過執行介電電壓耐受測試（也稱為高電位測試）來評估給定電氣或電子設備絕緣的安全性。介電耐壓測試在絕緣柵上施加高電壓一分鐘。符合制造商要求閾值的測量絕緣后測試被視為及格等級。

圖 2 說明了此耐壓測試，采用之前的絕緣監控配置，移除高壓電池，并在端子和機箱接地上施加 4，242 V。

圖2：絕緣監測高電位示例

由于開關（SW1、SW2）通常是固態繼電器或帶有集成金屬氧化物半導體場效應晶體管的光電繼電器，因此必須考慮組件以確保開關的生存能力。這些開關通常在一段時間內額定有限的雪崩電流（Iava），因此，例如，在選擇組件時，您可能需要選擇能夠充分限制雪崩電流的串聯電阻器，或者將昂貴的干簧繼電器接地，以完全防止雪崩電流流動。遺憾的是，具有大串聯電阻會對測量精度產生負面影響，因此選擇電阻值與絕緣電阻相似的電阻器將最大限度地提高精度。

固態繼電器的優勢

您可以使用光繼電器，但與固態繼電器相比，在雪崩電流、速度、可靠性和解決方案尺寸方面存在缺點。TPSI2140-Q1 支持高達 2 mA的雪崩電流，而通用光繼電器則為 0.6mA。通用光繼電器的開關速度通常也受到其LED和正向偏置要求的限制。光繼電器會隨著時間的推移和尺寸而遭受光降解，需要額外的組件來創建驅動電路。

圖 3 顯示了 TPSI2140-Q1 功能框圖。

圖 3：TPSI2140-Q1 功能框圖

根據其他系統要求，您可能希望考慮使用智能電池接線盒（如 BQ79731-Q1 電池組監視器）來測量電壓、溫度和電流的配置。

用于電動汽車高壓充電和太陽能絕緣監測的 AFE 參考設計以及汽車高壓和隔離泄漏測量參考設計均使用 TPSI2140-Q1固態繼電器切換已知電阻。

設計人員有時會選擇購買絕緣監測模塊，以避免考慮耐壓測試設計因素的挑戰。兩種參考設計都使用不同的拓撲來解決絕緣監控問題，具有良好的故障檢測精度、支持安全標準、可擴展性等。

AFE 參考設計能夠準確可靠地監控絕緣電阻，在絕緣電阻測量期間保持絕緣，并支持 IEC 61557-8 和 IEC 61851-23。

圖 4 顯示了 AFE 參考設計框圖。

圖 4：AFE 參考設計框圖

圖5顯示了泄漏測量參考設計的框圖。

圖 5：泄漏測量參考設計框圖

結論

轉向更高電壓以最大限度地減少充電時間 - 例如電動汽車從400 V到800 V的趨勢以及太陽能轉向更高電壓系統 -增加了對可靠的安全和絕緣監測方法的需求。絕緣監控通過監控從高壓端子到保護性接地/機箱接地的泄漏電流來檢測絕緣電阻。由于高于10mA的電流可能是致命的，因此絕緣監測系統必須在檢測到絕緣故障時發出警告。