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

 

每mei個ge要yao素su都dou存cun在zai不bu同tong的de選xuan擇ze
，最zui終zhong組zu合he決jue定ding隔ge離li器qi的de能neng力li。本ben文wen將jiang聚ju焦jiao於yu絕jue緣yuan材cai料liao，它ta是shi決jue定ding安an全quan性xing高gao低di的de主zhu要yao因yin素su。光guang耦ou合he器qi使shi用yong各ge種zhong聚ju合he物wu材cai料liao，包bao括kuo封feng裝zhuang的de環huan氧yang樹shu脂zhi塑su封feng材cai料liao。數shu字zi隔ge離li器qi使shi用yong類lei似si的de聚ju合he物wu或huo聚ju酰xian亞ya胺an材cai料liao，也ye可ke以yi使shi用yong二er氧yang化hua矽gui。隔ge離li壽shou命ming和he最zui高gao耐nai受shou電dian壓ya的de不bu同tong取qu決jue於yu材cai料liao和he製zhi造zao工gong藝yi。我wo們men先xian考kao慮lv安an全quan標biao準zhun以yi及ji它ta們men與yu不bu同tong類lei型xing隔ge離li器qi的de關guan係xi。

 

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。

 

shuzigeliqidexingqishiwentigengjiafuza
，yinweixuduocileibiaozhunshizaishejishizhiyouguangouheqikeyongshizhidingde。zhexiebiaozhunjindingyuguangouheqixiangguanderuodian，tigonglebaozhenganquanxingdetujing。

 

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 60747yaoqiutongguoshengchanbufenfangdianceshilaiyanzhengguangouheqidegongzuodianya。biaozhunjigouyijingrending
，bufenfangdianqishidianyaheyougandianyayuguangouheqidegongzuodianyaxiangguan。zhizaogongyishiyongzhusufangfa，rongyizaisuliaoneibuchanshengkongdong。zaiyalixia，cileikongdongkejingligenggaodedianchang，daozhibufenfangdianyinqidexingnengjiangdi。zaigaoyaxiajinxingbufenfangdianceshikeyijianceshifoucunzaikongdong，faxianzaixianchangyingyongzhonghuishixiaodecipin。

 

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)。zhezhongzhizaogongyinengyidichengbenjianggeliyuanjianyurenhejingyuanbandaotigongyijicheng

，shixianchusedezhilianghekekaoxing。xiamiandepoumiantuxianshilebeihoujuxianyaancengfenkaidedingbuhedibuxianquandezashu。juxianyaancailiaoyongyujueyuanyiyouduoniandelishi。guoqushiduonianlai，yiyoujin10億隻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 Hzgongmodianweichaxiacedede。gedanyuandeshixiaoshijianjilubinghuizongyuxiamiandeweibuertuzhong。duiyuyuqigongzuodianyafanweineidejiaodidianya
，shixiaoshijiantongguowaituihuode。

 

 

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(de)iCoupler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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