跨过隔离栅的电涌:数字隔离器确立加强绝缘的标准

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传统上,光耦合器用于隔离多种电气设备中潜在的危险电压。如今,基于变压器或容性耦合技术的现代数字隔离器得到了广泛应用。基于变压器的数字隔离器拥有诸多优势,比如高性能、集成功能、低功耗、出色的长期可靠性以及更高的易用性等。

需要隔离的原因有多种。通过隔离,在使用不同的接地基准电压或电源电压时,功能电路可以正常工作。在系统长期工作期间,必须保护设备操作员或病人,使其免受电击或危险电流的伤害。必须防止敏感和/或昂贵的系统因电涌而损坏——比如雷击。保护人员免受致命电击的伤害需要加强绝缘等级。

安全标准

国际电工委员会(IEC)发布了与电气安全相关的众多国际标准,而像美国保险商实验室(UL)以及德国电气工程师协会(VDE)一类的国家机构也发布了诸多地区规范。有多个实体提供了标准测试和认证服务,包括UL、VDE、加拿大标准协会(CSA)和德国技术监督联合会(TV)。这些认证的选择取决于元件或系统的销售地区以及最终用户。在某些情况下,设备供应商可能要求来自特定公司(如TV)的IEC标准认证,即使已通过另一机构(如CSA)获得相同标准的认证。有时候,这取决于偏好或前期经验,但这些要求也可能存在认证水平上的差异。

标准机构一直在努力统一国际和地区标准文件,以简化认证过程。但进展十分缓慢,因为标准的数量众多、复杂程度高。在实现这一目标之前,元件供应商最好满足全面的不同标准,以便为最终设备在全球的销售提供最大的灵活性。

使问题复杂化的是,隔离还存在系统级标准和元件级标准。与要求隔离的应用最相关的系统级标准如下。
表1 隔离应用系统级标准

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此方法提供的系统隔离规范可以向下延伸到元件级。系统要求用于定义构成系统的各器件的隔离特性。遵循系统标准可以预知最终系统设计的安全等级。

适用于具体隔离元件的标准为:
● IEC 60747:半导体器件——第1部分: 通则
● UL 1577:光学隔离器标准
● VDE 0884-10:半导体器件——用于安全隔离的磁性耦合器和容性耦合器
这些标准保证数字隔离器元件符合具体的安全要求,但不保证整个系统的隔离等级。系统设计人员需要根据整体安全要求来确定单个数字隔离器的适用性。

另一个考虑因素是各机构对各种参数的处理方式。例如,UL1577会记录实现的爬电距离和电气间隙,并验证对指定耐受电压的承受能力。对于爬电距离和电气间隙并无具体的要求,只要元件通过测试即可。另一方面,IEC 60950则根据工作电压规定了具体的爬电距离和电气间隙要求。无论测试结果如何,元件都必须符合给定电压的爬电距离和电气间隙。

部分元件级标准是专门针对隔离栅采用光学通信的产品而制定的。这些产品被称为光耦合器,进入实用已有一段时间,遵循IEC 60747和UL 1577两项标准。现在,横跨隔离栅使用变压器或容性耦合技术的现代数字隔离器被广泛用作光耦合器的替代方案。标准机构已开始紧跟隔离产品中的技术变化。例如,VDE 0884-10于2006年发布,主要针对采用基于变压器或容性隔离技术的元件。 IEC目前正在努力统一这些标准。

各类安全标准中规定了多种物理和电气隔离器特性。其中规定了元件的绝缘特性以及封装和绝缘栅的物理尺寸,以承受特定电压应力。不同的应力是基于幅度和持续时间来定义的。

工作电压
工作电压是元件在其寿命周期中可以承受的额定连续直流或交流电压。IEC 60950规定了三个等级的工作电压:250VRMS、320VRMS和400VRMS。

耐受电压
耐受电压——也称为隔离电压——是元件最多可以承受一分钟的过压条件。常见的耐受电压额定值是UL 1577规定的1kVRMS、2.5kVRMS、3.5kVRMS和5kVRMS。

浪涌电压
浪涌电压定义了元件在经受连续短暂高压脉冲之后的抗冲击能力(见图1)。隔离器必须通过10kV浪涌电压测试,才能取得符合VDE 0884-10规范的加强绝缘等级。能否通过该测试主要取决于隔离厚度(亦称为隔离距离,缩写为DTI)以及隔离材料的质量。应用的电场往往在绝缘体内部的缺陷点聚集,因此,较低的缺陷密度一般会带来较高的击穿额定值。 较厚的材料对击穿的抗击能力更强,因为场强与绝缘体任一端的导体之间的距离成反比。

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图1. 浪涌电压波形  

光耦合器通常符合这一要求,因为DTI的典型值为400μm,这会降低绝缘质量对击穿特性的影响。简单而言,绝缘层很厚,因此不需优质材料也可通过10kV测试。基于变压器的数字隔离器采用一种优质的20μm聚酰亚胺层,存放于洁净的室内环境中。

本文更多内容,请参阅http://www.epc.com.cn/pdfdown.php?source=2014.10.pdf

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