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。

 

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)。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 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.

 

 

推薦閱讀：