了解隔離器故障模式，保證電源設(shè)備安全隔離

隔離用戶及敏感電子部件是電機(jī)控制系統(tǒng)的重要考慮事項(xiàng)。安全隔離用于保護(hù)用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護(hù)設(shè)備和器件。電機(jī)控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動(dòng)電路中的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器；檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

雖然隔離是很重要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點(diǎn)：會(huì)提高功耗，跨過隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生延遲，而且會(huì)增加系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)上求助于光隔離方案，多年來，它是系統(tǒng)隔離的當(dāng)然選擇。最近十年來，基于磁性(變壓器傳輸)方法的數(shù)字隔離器提供了一種可行且在很多時(shí)候更優(yōu)越的替代方案；從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能尚未認(rèn)識(shí)到的優(yōu)點(diǎn)。

隔離器是一種用來在兩個(gè)電路系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)和能量，同時(shí)最小化直流和瞬態(tài)電流干擾的器件。在大多數(shù)的系統(tǒng)中， 隔離器不僅保證了系統(tǒng)的功能性，而且為低壓系統(tǒng)提供了一道抵御高電壓干擾的屏障。例如，圖1中展示的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)一方面把來自于控制器的以控制側(cè)系統(tǒng)地作為參考的低電壓信號轉(zhuǎn)化成了以IGBT驅(qū)動(dòng)管發(fā)射極點(diǎn)作為參考的IGBT驅(qū)動(dòng)信號。與此同時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)作為一道屏障有效地保護(hù)了控制模塊避免受到來自高電壓側(cè)的干擾。這樣就有效地避免了控制器側(cè)的操作人員發(fā)生觸電風(fēng)險(xiǎn)。

我提到了隔離的關(guān)鍵應(yīng)用之一：防止電擊。

在高壓應(yīng)用中，隔離柵失效可能會(huì)導(dǎo)致潛在的操作員安全隱患或?qū)γ舾械目刂齐娐吩斐蓳p壞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此， 重要的是要了解在正常和故障條件下可能導(dǎo)致隔離器發(fā)生故障的原因。您需要了解每種情況下故障的性質(zhì)，以了解是否需要采取額外措施來防止電氣危險(xiǎn)。

那么是什么導(dǎo)致隔離器失效呢？

第一種故障模式（故障模式 1）是當(dāng)超過隔離器額定規(guī)格的高壓發(fā)生在隔離柵上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿。這種高電壓可以是持續(xù)幾秒或幾分鐘的正弦電壓形式，也可以是由直接和間接雷擊引起的浪涌脈沖，或者是持續(xù)數(shù)月或數(shù)年的連續(xù)過電壓。圖 1 顯示了這種故障模式。

失效模式 1 發(fā)生在所有隔離器和耦合器中，無論是磁性的、電容的還是光學(xué)的，無論類型和結(jié)構(gòu)如何。在最終系統(tǒng)中很容易避免：只需選擇額定規(guī)格超過所有條件下終端設(shè)備預(yù)期電壓的隔離器。終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)（例如國際電工委員會(huì) (IEC) 61800-5-1 用于可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）通過建立明確的指導(dǎo)方針來確保電氣安全，從而使這一選擇變得簡單。TI 的增強(qiáng)型隔離器提供業(yè)界最高的隔離等級之一，因此在多種應(yīng)用中針對故障模式 1 的裕度至關(guān)重要。

圖 1：故障模式 1 是隔離柵上的高壓

第二種故障模式，即故障模式 2，發(fā)生在高功率事件（定義為高電壓和高電流事件的組合）發(fā)生在隔離器的一側(cè)時(shí)。這種事件引起的過熱和機(jī)械應(yīng)力會(huì)破壞相關(guān)的硅芯片。TI 增強(qiáng)型隔離器中的絕緣層由放置在兩個(gè)不同硅芯片上的兩個(gè)高壓電容器串聯(lián)組合而成。即使一個(gè)芯片由于電氣過應(yīng)力而損壞，另一個(gè)芯片仍保持完好，提供基本隔離。此特性稱為“故障打開”行為。故障模式 2 如圖 2 所示。

圖 2：故障模式 2 是靠近隔離柵的高電壓和高電流

圖 3 顯示了一個(gè)去封裝的 TI 增強(qiáng)型隔離器的照片，顯示了一半的隔離完好無損，即使在兩側(cè)之一受到浪涌電壓之后也是如此。許多競爭隔離解決方案不使用串聯(lián)的兩個(gè)單獨(dú)的隔離柵，因此在類似情況下可能會(huì)“短路”，從而影響電氣安全。

圖 3：TI 增強(qiáng)型隔離器可承受故障模式 2

在我們的白皮書“了解隔離器中的故障模式”中，Neeraj Bharadwaj、Kannan Soundarapandian 和我詳細(xì)討論了這個(gè)話題。在本白皮書中，我們還展示了一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些結(jié)果展示了 TI 增強(qiáng)型隔離器的失效打開行為。