高壓作業必備,如何做好數字隔離器的浪湧測試?
發布時間:2013-09-26 責任編輯:sherryyu
許多應用要求隔離危險電壓,以符合國際安全標準的要求。為了確保設備和操作人員的安全,這些標準往往要求隔離元件(如數字隔離器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高壓浪湧。因此,測試隔離器浪湧性能是開發安全、可靠器件的必要環節。
國際電工委員會(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)兩個組織出版的標準就隔離技術在醫療、工業、消(xiao)費(fei)以(yi)及(ji)汽(qi)車(che)等(deng)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)係(xi)統(tong)級(ji)和(he)元(yuan)件(jian)級(ji)應(ying)用(yong)進(jin)行(xing)了(le)規(gui)定(ding)。為(wei)了(le)確(que)保(bao)在(zai)出(chu)現(xian)高(gao)壓(ya)浪(lang)湧(yong)時(shi)人(ren)員(yuan)和(he)設(she)備(bei)的(de)安(an)全(quan),這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)隔(ge)離(li)等(deng)級(ji)規(gui)定(ding)了(le)不(bu)同(tong)的(de)浪(lang)湧(yong)額(e)定(ding)值(zhi)。
共有三類常見的隔離等級:功能隔離、基(ji)本(ben)隔(ge)離(li)和(he)增(zeng)強(qiang)隔(ge)離(li)。功(gong)能(neng)隔(ge)離(li)僅(jin)有(you)少(shao)量(liang)安(an)全(quan)要(yao)求(qiu),因(yin)為(wei)它(ta)一(yi)般(ban)隻(zhi)用(yong)於(yu)要(yao)求(qiu)隔(ge)離(li)接(jie)地(di)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)的(de)場(chang)合(he),以(yi)保(bao)證(zheng)電(dian)路(lu)能(neng)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。可(ke)見(jian),安(an)全(quan)性(xing)和(he)浪(lang)湧(yong)性(xing)能(neng)並(bing)不(bu)是(shi)功(gong)能(neng)隔(ge)離(li)的(de)主(zhu)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。
然ran而er,安an全quan性xing卻que是shi基ji本ben隔ge離li和he增zeng強qiang隔ge離li的de主zhu要yao考kao慮lv因yin素su,因yin此ci,浪lang湧yong電dian平ping是shi確que定ding隔ge離li質zhi量liang的de關guan鍵jian。基ji本ben隔ge離li可ke以yi保bao護hu終zhong端duan設she備bei用yong戶hu,使shi其qi免mian受shou電dian擊ji,增zeng強qiang隔ge離li是shi一yi種zhong單dan獨du的de隔ge離li係xi統tong,其qi提ti供gong的de保bao護hu能neng力li相xiang當dang於yu兩liang個ge冗rong餘yu的de單dan個ge或huo基ji本ben隔ge離li係xi統tong。醫yi療liao和he工gong業ye應ying用yong一yi般ban要yao求qiu增zeng強qiang隔ge離li,以yi保bao護hu病bing人ren和he終zhong端duan用yong戶hu,使shi其qi免mian受shou致zhi命ming性xing電dian擊ji的de影ying響xiang。VDE針對數字隔離器的增強隔離標準是VDE 0884-10,規定最小浪湧電壓(VIOSM)額定值為10 kV,同時對工作電壓(VIORM)和耐受電壓(VISO)作出了規定。
數字隔離器的浪湧電壓額定值規定的是在經受連續短暫高壓脈衝之後的抗衝擊能力。圖1所示為符合IEC 61000-4-5的浪湧波形的時序特性。

圖1. 浪湧電壓波形
測試時,把設備放在一個測試板上,使隔離柵兩端的所有引腳短路(見圖2)。將一個高壓脈衝發生器通過一個1000Ω/1000 pF網絡連接到隔離柵的一端。發生器回路連接到隔離柵另一端。將一個100 kΩ、2.5 W的電阻跨接於隔離柵上,以便施加各個脈衝之後使電路放電。用一個帶1000:1高壓探頭的示波器監控脈衝。將放電槍設置為測試計劃規定的最低電壓,示波器設為單次觸發。在該電壓電平下施加10個脈衝,並用示波器對各個脈衝進行監控。通過驟降脈衝幅度(在不到50 μs的時間內下降到50%)可發現隔離柵中的缺口。如果部件可以承受10個脈衝,則提高放電槍電壓,再施加10個脈衝。持續進行,直到隔離柵發生故障為止,或者直到達到最大測試電壓為止。

圖2. 浪湧測試設置
能否通過該測試主要取決於隔離厚度(亦稱為隔離距離,縮寫為DTI)以yi及ji隔ge離li材cai料liao的de質zhi量liang。應ying用yong的de電dian場chang往wang往wang在zai絕jue緣yuan體ti內nei部bu的de缺que陷xian點dian聚ju集ji,因yin此ci,較jiao低di的de缺que陷xian密mi度du一yi般ban會hui帶dai來lai較jiao高gao的de擊ji穿chuan額e定ding值zhi。較jiao厚hou的de材cai料liao對dui擊ji穿chuan的de抗kang擊ji能neng力li更geng強qiang,因yin為wei場chang強qiang與yu絕jue緣yuan體ti任ren一yi端duan的de導dao體ti之zhi間jian的de距ju離li成cheng反fan比bi。
光耦合器一般可以通過10 kV浪湧測試,因為絕緣體很厚(典型值為400μm),因而可以降低絕緣質量對擊穿特性的影響。簡單而言,絕緣層很厚,因此不需優質材料也可通過10 kV測試。基於變壓器的隔離器采用一種優質的20 m至32 μm聚ju酰xian亞ya胺an層ceng,存cun放fang於yu潔jie淨jing的de室shi內nei環huan境jing中zhong。由you於yu這zhe種zhong材cai料liao的de缺que陷xian水shui平ping遠yuan遠yuan低di於yu光guang耦ou合he器qi中zhong使shi用yong的de注zhu射she成cheng型xing環huan氧yang樹shu脂zhi,因yin此ci,厚hou度du薄bo得de多duo的de絕jue緣yuan層ceng也ye可ke達da到dao10 kV的要求。電容性隔離器同樣采用優質絕緣層,這裏是在晶圓製造過程中沉澱的二氧化矽(SiO2)。二氧化矽具有較高的介電強度,但一般情況下,如果不在薄膜中造成機械應力,則無法沉澱得很厚。較厚的SiO2同時也可降低電容,這又會導致隔離柵耦合效率的下降。為此,電容性隔離器一般不能通過10 kV浪湧測試,因此,無法通過VDE的增強隔離認證。
在需要對人員和設備進行保護的增強隔離應用中,需要實現10 kV浪湧保護。浪湧測試是確定隔離元件在此類應用中的安全等級的關鍵步驟。ADI公司提供廣泛的iCoupler和isoPower產品,完全可以滿足這種需求。
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