使用經(jīng)認證隔離器件確保安全的系統(tǒng)運行

　　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)計工程師帶來信心，隔離器件產(chǎn)品必須通過認證以確保符合目標(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)備制造商通常會使用符合公認標(biāo)準(zhǔn)認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械結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則和元器件安全標(biāo)準(zhǔn)達成，光電耦合器就是一個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)的一個例子是目前已經(jīng)由DIN/EN 60747-5-2/DIN/EN60747-5-5取代的VDE0884，這個標(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。

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

　　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)認證的服務(wù)，但測試單位僅提供基本絕緣的認證，這代表它們僅部份符合并非完全通過認證，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制預(yù)測上，在較低壓力電壓下有其他老化預(yù)測機制可以應(yīng)用于這些替代隔離器。

　　在實務(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驗測試數(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、機械結(jié)構(gòu)、絕緣層厚度和介質(zhì)擊穿強度。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