答案是肯定的：數shu字zi隔ge離li器qi能neng夠gou滿man足zu國guo內nei和he國guo際ji標biao準zhun的de安an全quan要yao求qiu。但dan是shi，大da多duo數shu供gong應ying商shang提ti供gong的de光guang耦ou合he器qi具ju有you相xiang似si的de結jie構gou
，數shu字zi隔ge離li器qi則ze不bu然ran，不bu同tong供gong應ying商shang以yi不bu同tong方fang式shi設she計ji和he製zhi造zao數shu字zi隔ge離li器qi
，因yin而er隔ge離li能neng力li不bu盡jin相xiang同tong，特te別bie是shi與yu光guang耦ou合he器qi強qiang健jian的de隔ge離li能neng力li相xiang比bi較jiao時shi。因yin此ci，並bing非fei所suo有you數shu字zi隔ge離li器qi技ji術shu和he實shi現xian方fang案an都dou能neng提ti供gong同tong樣yang的de安an全quan性xing。

 

 

隔離器有四個主要考慮因素：

 

●   絕緣材料

●   隔離元件

●   數據傳輸架構

●   封裝

 

meigeyaosudoucunzaibutongdexuanze，zuizhongzuhejuedinggeliqidenengli。benwenjiangjujiaoyujueyuancailiao，tashijuedinganquanxinggaodidezhuyaoyinsu。guangouheqishiyonggezhongjuhewucailiao
，baokuofengzhuangdehuanyangshuzhisufengcailiao。shuzigeliqishiyongleisidejuhewuhuojuxianyaancailiao
，yekeyishiyongeryanghuagui。gelishouminghezuigaonaishoudianyadebutongqujueyucailiaohezhizaogongyi。womenxiankaolvanquanbiaozhunyijitamenyubutongleixinggeliqideguanxi。

 

了解隔離要求：標biao準zhun的de複fu雜za性xing係xi統tong級ji標biao準zhun旨zhi在zai處chu理li環huan境jing條tiao件jian與yu係xi統tong使shi用yong條tiao件jian的de差cha異yi。例li如ru，家jia用yong電dian器qi的de要yao求qiu不bu同tong於yu醫yi院yuan用yong病bing人ren監jian護hu儀yi或huo工gong廠chang中zhong電dian機ji驅qu動dong器qi的de要yao求qiu。它ta們men常chang常chang通tong過guo引yin用yong電dian流liu隔ge離li器qi特te定ding的de器qi件jian級ji標biao準zhun來lai說shuo明ming隔ge離li安an全quan性xing。有you三san種zhong標biao準zhun值zhi得de注zhu意yi：

 

●   IEC 60747：半導體器件——第1部分：通則

●   UL 1577：光學隔離器標準

●   VDE 0884-10：半導體器件——用於安全隔離的磁性耦合器和容性耦合器

 

雖然各種標準的目標相似，即確保用戶、操作員和設備的安全性，但采用的方法不同。IEC 60747區分了隔離等級(例如基本絕緣與增強絕緣)，UL 1577則注重隔離器在一定時間內(通常是1分鍾)耐受某一電壓水平的能力。為了適應所有可能的使用情形和條件，係統設計師常常需要獲得多種器件級標準的認證。

 

數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)興(xing)起(qi)使(shi)問(wen)題(ti)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)，因(yin)為(wei)許(xu)多(duo)此(ci)類(lei)標(biao)準(zhun)是(shi)在(zai)設(she)計(ji)師(shi)隻(zhi)有(you)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)可(ke)用(yong)時(shi)製(zhi)定(ding)的(de)。這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)緊(jin)盯(ding)與(yu)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)相(xiang)關(guan)的(de)弱(ruo)點(dian)，提(ti)供(gong)了(le)保(bao)證(zheng)安(an)全(quan)性(xing)的(de)途(tu)徑(jing)。

 

對dui於yu光guang耦ou合he器qi，這zhe些xie方fang法fa非fei常chang有you效xiao

，但dan可ke能neng不bu適shi用yong於yu數shu字zi隔ge離li器qi。以yi認ren證zheng工gong作zuo電dian壓ya為wei例li，它ta是shi連lian續xu施shi加jia於yu隔ge離li柵zha的de電dian壓ya。具ju有you認ren證zheng工gong作zuo電dian壓ya的de隔ge離li器qi應ying能neng終zhong身shen耐nai受shou該gai電dian壓ya。IEC 60747要yao求qiu通tong過guo生sheng產chan部bu分fen放fang電dian測ce試shi來lai驗yan證zheng光guang耦ou合he器qi的de工gong作zuo電dian壓ya。標biao準zhun機ji構gou已yi經jing認ren定ding，部bu分fen放fang電dian起qi始shi電dian壓ya和he誘you感gan電dian壓ya與yu光guang耦ou合he器qi的de工gong作zuo電dian壓ya相xiang關guan。製zhi造zao工gong藝yi使shi用yong注zhu塑su方fang法fa，容rong易yi在zai塑su料liao內nei部bu產chan生sheng空kong洞dong。在zai壓ya力li下xia，此ci類lei空kong洞dong可ke經jing曆li更geng高gao的de電dian場chang，導dao致zhi部bu分fen放fang電dian引yin起qi的de性xing能neng降jiang低di。在zai高gao壓ya下xia進jin行xing部bu分fen放fang電dian測ce試shi可ke以yi檢jian測ce是shi否fou存cun在zai空kong洞dong
，發fa現xian在zai現xian場chang應ying用yong中zhong會hui失shi效xiao的de次ci品pin。

 

這(zhe)種(zhong)部(bu)分(fen)放(fang)電(dian)方(fang)法(fa)並(bing)不(bu)完(wan)全(quan)適(shi)用(yong)於(yu)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)。數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)確(que)實(shi)使(shi)用(yong)類(lei)似(si)的(de)封(feng)裝(zhuang)材(cai)料(liao)，必(bi)須(xu)利(li)用(yong)部(bu)分(fen)放(fang)電(dian)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)以(yi)判(pan)斷(duan)有(you)無(wu)缺(que)陷(xian)，但(dan)還(hai)有(you)其(qi)他(ta)老(lao)化(hua)機(ji)製(zhi)與(yu)絕(jue)緣(yuan)材(cai)料(liao)相(xiang)關(guan)。隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)使(shi)用(yong)的(de)主(zhu)要(yao)隔(ge)離(li)材(cai)料(liao)是(shi)通(tong)過(guo)嚴(yan)密(mi)控(kong)製(zhi)的(de)晶(jing)圓(yuan)級(ji)工(gong)藝(yi)沉(chen)積(ji)而(er)成(cheng)，不(bu)大(da)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)空(kong)洞(dong)，因(yin)而(er)受(shou)部(bu)分(fen)放(fang)電(dian)的(de)影(ying)響(xiang)較(jiao)小(xiao)
，但(dan)其(qi)他(ta)老(lao)化(hua)機(ji)製(zhi)開(kai)始(shi)占(zhan)主(zhu)導(dao)地(di)位(wei)。數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)聲(sheng)稱(cheng)的(de)特(te)定(ding)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)(通常表示為VIORM，依據IEC 60747)可能會造成誤解，因為它僅反映在給定電壓下通過部分放電測試的能力。

 

由於部分放電對於數字隔離器工作電壓是不完整的測試
，因此需要其他測試和表征。IEC的(de)未(wei)來(lai)標(biao)準(zhun)將(jiang)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)問(wen)題(ti)並(bing)引(yin)入(ru)新(xin)的(de)方(fang)法(fa)。在(zai)過(guo)渡(du)期(qi)間(jian)，數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)供(gong)應(ying)商(shang)有(you)義(yi)務(wu)證(zheng)明(ming)他(ta)們(men)如(ru)何(he)保(bao)證(zheng)器(qi)件(jian)在(zai)額(e)定(ding)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)下(xia)能(neng)夠(gou)終(zhong)身(shen)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。

 

測量iCoupler數字隔離器的高壓壽命

 

ADI公司通過部分放電以外的測試保證iCoupler?數字隔離器的工作電壓。iCoupler數字隔離器在平麵變壓器線圈之間使用20 μm厚聚酰亞胺絕緣層，這是晶圓製造工藝的一部分(見下圖)。這zhe種zhong製zhi造zao工gong藝yi能neng以yi低di成cheng本ben將jiang隔ge離li元yuan件jian與yu任ren何he晶jing圓yuan半ban導dao體ti工gong藝yi集ji成cheng

，實shi現xian出chu色se的de質zhi量liang和he可ke靠kao性xing。下xia麵mian的de剖pou麵mian圖tu顯xian示shi了le被bei厚hou聚ju酰xian亞ya胺an層ceng分fen開kai的de頂ding部bu和he底di部bu線xian圈quan的de匝za數shu。聚ju酰xian亞ya胺an材cai料liao用yong於yu絕jue緣yuan已yi有you多duo年nian的de曆li史shi。過guo去qu十shi多duo年nian來lai，已yi有you近jin10億隻iCoupler變壓器投入使用。

 

 

為了測量這些芯片級隔離變壓器的工作電壓壽命
，我們采用高壓耐受性(HVE)設置。HVE是在更高電壓水平(通常遠高於額定工作電壓)下通過失效時間實驗完成的。電荷注入是導致器件隔離擊穿的主要HVE失(shi)效(xiao)機(ji)製(zhi)。電(dian)荷(he)注(zhu)入(ru)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)絕(jue)緣(yuan)層(ceng)後(hou)
，可(ke)能(neng)會(hui)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)局(ju)部(bu)陷(xian)阱(jing)位(wei)置(zhi)並(bing)釋(shi)放(fang)能(neng)量(liang)。如(ru)果(guo)釋(shi)放(fang)的(de)能(neng)量(liang)足(zu)夠(gou)高(gao)
，聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)內(nei)的(de)鍵(jian)結(jie)就(jiu)會(hui)斷(duan)開(kai)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)更(geng)多(duo)陷(xian)阱(jing)位(wei)置(zhi)，導(dao)致(zhi)更(geng)多(duo)空(kong)間(jian)電(dian)荷(he)被(bei)捕(bu)捉(zhuo)。這(zhe)種(zhong)正(zheng)反(fan)饋(kui)最(zui)終(zhong)造(zao)成(cheng)絕(jue)緣(yuan)擊(ji)穿(chuan)。

 

通過熱力學分析¹，壽命L可以表示為：

 

 

其中，E_t是無電荷注入發生的閾值場，m和n是比例常數。經觀測，iCoupler器件的HVE數據符合下式

 

 

其中，L是10 ppm時的失效時間，V是施加的連續高壓。下圖是一個簡化示例，使用來自高壓受測樣本的四個數據點來擬合該模型
，並外推回典型工作電壓。

 

 

此數據是在將樣本置於800 V到2000 V rms的60 Hz共gong模mo電dian位wei差cha下xia測ce得de的de。各ge單dan元yuan的de失shi效xiao時shi間jian記ji錄lu並bing彙hui總zong於yu下xia麵mian的de威wei布bu爾er圖tu中zhong。對dui於yu預yu期qi工gong作zuo電dian壓ya範fan圍wei內nei的de較jiao低di電dian壓ya
，失shi效xiao時shi間jian通tong過guo外wai推tui獲huo得de。

 

 

iCoupler HVE壽命取決於施加的電壓是交流還是直流電壓。在直流電壓下，靜態場會阻止能量的捕捉/重組合釋放。因此，直流壽命遠遠長於交流壽命。iCoupler產品始終指定最差情況下的交流壽命。

 

工作電壓的均方根(rms)規格也可能引起誤解。400 V rms波形實際上是一個在正560 V與負560 V之間切換的正弦波形，因此隔離柵上的最高峰峰值電壓實際上是1120 V。我們已經確認
，在額定電壓為400 V rms的雙極性波形下的壽命與在1120 V峰峰值波形下的壽命相同
，與中心電壓無關。由於安全至關重要，數據手冊應采取保守態度以確保無潛在危險
，因此iCoupler數字隔離器的數據手冊指定了絕對最差情況工作電壓。

 

結論

 

數shu字zi隔ge離li器qi的de引yin入ru使shi得de業ye已yi複fu雜za的de安an全quan標biao準zhun愈yu加jia令ling人ren困kun惑huo
，因yin為wei數shu字zi隔ge離li器qi使shi用yong不bu同tong於yu電dian流liu隔ge離li的de材cai料liao和he元yuan件jian

，並bing非fei所suo有you標biao準zhun都dou適shi用yong於yu數shu字zi隔ge離li器qi的de要yao求qiu。關guan於yu某mou種zhong工gong作zuo電dian壓ya條tiao件jian下xia的de壽shou命ming，與yu光guang耦ou合he器qi不bu同tong
，基ji於yu部bu分fen放fang電dian的de認ren證zheng不bu足zu以yi保bao證zheng數shu字zi隔ge離li器qi能neng在zai數shu十shi年nian的de使shi用yong期qi間jian安an全quan可ke靠kao地di工gong作zuo。應ying對dui這zhe些xie問wen題ti的de新xin標biao準zhun正zheng在zai製zhi定ding過guo程cheng中zhong
，但dan在zai新xin標biao準zhun頒ban布bu以yi前qian，數shu字zi隔ge離li器qi供gong應ying商shang必bi須xu用yong可ke靠kao的de數shu據ju彌mi補bu這zhe些xie標biao準zhun，支zhi持chi可ke靠kao性xing達da數shu十shi年nian的de承cheng諾nuo。正zheng因yin如ru此ci，基ji於yu聚ju酰xian亞ya胺an絕jue緣yuan材cai料liao的deiCoupler數字隔離器利用加速壽命測試
，保證器件在額定工作電壓下能夠安全可靠地工作50年以上。

 

參考文獻

 

¹、 Dissado, L.A., et al. “e IncorporaTIon of Space Charge DegradaTIon in the Life Model for Electrical InsulaTIng Materials.” IEEE TransacTIons on Dielectrics and Electrical Insulation. Vol. 2,

No. 6, pp. 1147-1158, December, 1995.

 

 

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