使用經(jīng)認(rèn)證隔離器件確保安全的系統(tǒng)運(yùn)行

　　介紹

　　隔離器件如光電耦合器等經(jīng)常被應(yīng)用于必須把使用者安全問題作為主要考量，不能在連續(xù)高工作電壓條件下出現(xiàn)任何失誤的情況，如果絕緣失效使高電壓接觸到使用者，可能會(huì)帶來安全隱患并威脅到使用者的生命安全，為了避免這類情況發(fā)生，國際元器件標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)范了相關(guān)的連續(xù)工作電壓規(guī)格和測試方法。

　　為了給設(shè)計(jì)工程師帶來信心，隔離器件產(chǎn)品必須通過認(rèn)證以確保符合目標(biāo)應(yīng)用的安全規(guī)格絕緣水平要求，而為了符合系統(tǒng)安全規(guī)格，設(shè)備制造商通常會(huì)使用符合公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的隔離器以確保安全并符合法規(guī)要求。這些隔離要求通過遵守機(jī)械結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則和元器件安全標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成，光電耦合器就是一個(gè)目前由零組件安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的主要范例。

　　光電耦合器標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)例子是目前已經(jīng)由DIN/EN 60747-5-2/DIN/EN60747-5-5取代的VDE0884，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定目的是解決所有光電耦合器技術(shù)具體安全方面的問題。

　　這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的主要成就在于實(shí)現(xiàn)100%的生產(chǎn)測試方法，這個(gè)方法可以可靠地證明每個(gè)產(chǎn)出光電耦合器具有長時(shí)間的高電壓耐受力。

　　近年來使用不同耦合技術(shù)，例如磁耦合和電容性耦合的隔離器陸續(xù)被推向市場，這些替代隔離器通常使用10μm到20μm的超薄絕緣層，光電耦合器的絕緣厚度則為80μm到1000μm。替代隔離器中較薄的絕緣層屏障在相同工作電壓下會(huì)有較高的電場壓力，因此要比光電耦合器更容易出現(xiàn)失效的情況。

　　除了機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同外，光電耦合器和替代隔離器分別使用不同的絕緣材料，光電耦合器通常使用同質(zhì)聚酰亞胺或硅酮，而替代隔離器則使用旋涂聚酰亞胺或二氧化硅(SiO2)。由于這些替代隔離器目前并無標(biāo)準(zhǔn)可以遵守，因此部份測試公司提供了是否符合DIN/EN 60747-5-2光電耦合器標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的服務(wù)，但測試單位僅提供基本絕緣的認(rèn)證，這代表它們僅部份符合并非完全通過認(rèn)證，原因是相對于安全絕緣應(yīng)用的薄膜聚酰亞胺和CMOS絕緣品質(zhì)和特性還未被充分了解，另外，替代隔離器的高電壓老化情況是否和光電耦合器相似也是問題。

　　VDE0884-10為以VDE0884光電耦合器標(biāo)準(zhǔn)為根基的新標(biāo)準(zhǔn)草案，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仰賴部份放電原則來預(yù)測安全的連續(xù)高電壓工作壽命。在VDE0884-10草案推出后，已經(jīng)證明部份放電原則無法使用在替代隔離器的老化機(jī)制預(yù)測上，在較低壓力電壓下有其他老化預(yù)測機(jī)制可以應(yīng)用于這些替代隔離器。

　　在實(shí)務(wù)上，使用光電耦合器的測試方法于替代隔離器上也引發(fā)了一些顧慮和問題，本文的目的是提供實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)和分析來解答這些問題。

　　絕緣結(jié)構(gòu)

　　光電耦合器、磁光隔離器和電容式隔離器有以下的分別，包括絕緣材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、絕緣層厚度和介質(zhì)擊穿強(qiáng)度。光電耦合器，如安華高科技(Avago Technologies)的HCPL-316J在光學(xué)路徑兩端使用由聚酰亞胺帶或硅酮組合的厚絕緣材料，如圖1，貫通絕緣距離(DTI, Distance Through Insulation)最小為400μm。　　

圖1：光電耦合器結(jié)構(gòu)。

　　[圖說]
　　Silicone = 硅酮
　　Creepage = 爬電距離
　　DTI = 貫通絕緣距離(DTI)
　　Clearance = 電氣間隙
　　Silicone = 硅酮
　　Insulation Tape = 絕緣帶