發布日期：2022-10-09 點擊率：96
隔離用戶及敏感電子部件是電機控制系統的重要考慮事項。安全隔離用于保護用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護設備和器件。電機控制系統可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅動電路中的隔離式柵極驅動器；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、標準數字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優化性能，都要求精心選擇這些器件。
雖然隔離是很重要的系統考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數據會產生延遲，而且會增加系統成本。系統設計師傳統上求助于光隔離方案，多年來，它是系統隔離的當然選擇。最近十年來，基于磁性(變壓器傳輸)方法的數字隔離器提供了一種可行且在很多時候更優越的替代方案；從系統角度考慮，它還具備系統設計師可能尚未認識到的優點。
隔離器是一種用來在兩個電路系統之間傳遞數據和能量，同時最小化直流和瞬態電流干擾的器件。在大多數的系統中， 隔離器不僅保證了系統的功能性，而且為低壓系統提供了一道抵御高電壓干擾的屏障。例如，圖1中展示的電機驅動系統，隔離的IGBT驅動一方面把來自于控制器的以控制側系統地作為參考的低電壓信號轉化成了以IGBT驅動管發射極點作為參考的IGBT驅動信號。與此同時，IGBT驅動作為一道屏障有效地保護了控制模塊避免受到來自高電壓側的干擾。這樣就有效地避免了控制器側的操作人員發生觸電風險。
我提到了隔離的關鍵應用之一：防止電擊。
在高壓應用中，隔離柵失效可能會導致潛在的操作員安全隱患或對敏感的控制電路造成損壞，從而導致系統故障。因此， 重要的是要了解在正常和故障條件下可能導致隔離器發生故障的原因。您需要了解每種情況下故障的性質，以了解是否需要采取額外措施來防止電氣危險。
那么是什么導致隔離器失效呢？
第一種故障模式（故障模式 1）是當超過隔離器額定規格的高壓發生在隔離柵上時，會導致絕緣擊穿。這種高電壓可以是持續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，或者是持續數月或數年的連續過電壓。圖 1 顯示了這種故障模式。
失效模式 1 發生在所有隔離器和耦合器中，無論是磁性的、電容的還是光學的，無論類型和結構如何。在最終系統中很容易避免：只需選擇額定規格超過所有條件下終端設備預期電壓的隔離器。終端設備標準（例如國際電工委員會 (IEC) 61800-5-1 用于可調速電機驅動器）通過建立明確的指導方針來確保電氣安全，從而使這一選擇變得簡單。TI 的增強型隔離器提供業界最高的隔離等級之一，因此在多種應用中針對故障模式 1 的裕度至關重要。
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，發生在高功率事件（定義為高電壓和高電流事件的組合）發生在隔離器的一側時。這種事件引起的過熱和機械應力會破壞相關的硅芯片。TI 增強型隔離器中的絕緣層由放置在兩個不同硅芯片上的兩個高壓電容器串聯組合而成。即使一個芯片由于電氣過應力而損壞，另一個芯片仍保持完好，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 顯示了一個去封裝的 TI 增強型隔離器的照片，顯示了一半的隔離完好無損，即使在兩側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的兩個單獨的隔離柵，因此在類似情況下可能會“短路”，從而影響電氣安全。
圖 3：TI 增強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 和我詳細討論了這個話題。在本白皮書中，我們還展示了一些實驗結果，這些結果展示了 TI 增強型隔離器的失效打開行為。
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