使用经认证隔离器件确保安全的系统运行

介绍

隔离器件如光电耦合器等经常被应用于必须把使用者安全问题作为主要考量，不能在连续高工作电压条件下出现任何失误的情况，如果绝缘失效使高电压接触到使用者，可能会带来安全隐患并威胁到使用者的生命安全，为了避免这类情况发生，国际元器件标准和设备安全标准就规范了相关的连续工作电压规格和测试方法。

为了给设计工程师带来信心，隔离器件产品必须通过认证以确保符合目标应用的安全规格绝缘水平要求，而为了符合系统安全规格，设备制造商通常会使用符合公认标准认证的隔离器以确保安全并符合法规要求。这些隔离要求通过遵守机械结构准则和元器件安全标准达成，光电耦合器就是一个目前由零组件安全标准规范的主要范例。

光电耦合器标准的一个例子是目前已经由DIN/EN 60747-5-2/DIN/EN60747-5-5取代的VDE0884，这个标准的制定目的是解决所有光电耦合器技术具体安全方面的问题。

这个标准的主要成就在于实现100%的生产测试方法，这个方法可以可靠地证明每个产出光电耦合器具有长时间的高电压耐受力。

近年来使用不同耦合技术，例如磁耦合和电容性耦合的隔离器陆续被推向市场，这些替代隔离器通常使用10μm到20μm的超薄绝缘层，光电耦合器的绝缘厚度则为80μm到1000μm。替代隔离器中较薄的绝缘层屏障在相同工作电压下会有较高的电场压力，因此要比光电耦合器更容易出现失效的情况。

除了机械结构的不同外，光电耦合器和替代隔离器分别使用不同的绝缘材料，光电耦合器通常使用同质聚酰亚胺或硅酮，而替代隔离器则使用旋涂聚酰亚胺或二氧化硅(SiO2)。由于这些替代隔离器目前并无标准可以遵守，因此部份测试公司提供了是否符合DIN/EN 60747-5-2光电耦合器标准认证的服务，但测试单位仅提供基本绝缘的认证，这代表它们仅部份符合并非完全通过认证，原因是相对于安全绝缘应用的薄膜聚酰亚胺和CMOS绝缘品质和特性还未被充分了解，另外，替代隔离器的高电压老化情况是否和光电耦合器相似也是问题。

VDE0884-10为以VDE0884光电耦合器标准为根基的新标准草案，这个标准仰赖部份放电原则来预测安全的连续高电压工作寿命。在VDE0884-10草案推出后，已经证明部份放电原则无法使用在替代隔离器的老化机制预测上，在较低压力电压下有其他老化预测机制可以应用于这些替代隔离器。

在实务上，使用光电耦合器的测试方法于替代隔离器上也引发了一些顾虑和问题，本文的目的是提供实验测试数据和分析来解答这些问题。

绝缘结构

光电耦合器、磁光隔离器和电容式隔离器有以下的分别，包括绝缘材料、机械结构、绝缘层厚度和介质击穿强度。光电耦合器，如安华高科技(Avago Technologies)的HCPL-316J在光学路径两端使用由聚酰亚胺带或硅酮组合的厚绝缘材料，如图1，贯通绝缘距离(DTI, Distance Through Insulation)最小为400μm。　　

图1：光电耦合器结构。

[图说]
　　Silicone = 硅酮
　　Creepage = 爬电距离
　　DTI = 贯通绝缘距离(DTI)
　　Clearance = 电气间隙
　　Silicone = 硅酮
　　Insulation Tape = 绝缘带

磁光隔离器使用单石CMOS芯片和旋涂聚酰亚胺作为绝缘，如图2。贯通绝缘距离可小至17μm。同样地，CMOS芯片电容式隔离器使用薄层二氧化硅(SiO2)作为绝缘，DIT最小为8μm。最近部份制造商把DTI提高到16μm来处理较高的隔离电压。然而绝缘厚度会因以下原因无法进一步提高：

1. DTI对信号耦合效率的影响。

2. CMOS芯片上布置厚绝缘层的昂贵成本和可靠性问题。

因此在相同工作电压下，替代隔离器的电场压力最少为光电耦合器的20倍以上，这个差异非常显着，代表着必须重新定义和发展出新的老化机制和坏料过滤方法。　　

图2：磁光和电容式隔离器结构。

[图说]
　　Top Passivation: BCB = 顶部钝化层：BCB
　　Top Metal Layer = 顶部金属层
　　INSULATION LAYER = 绝缘层
　　Bottom Metal Layer = 底部金属层
　　DTI = 贯通绝缘距离(DTI)

　　连续工作电压下光电耦合器安全标准和测试方法

国际安全标准IEC 60747-5-5涵盖了光耦合器件和光电耦合器的电气特性和测试方法，并未包括磁光隔离器或数字电容式隔离器，这个版本于2007年正式公布，涵盖包括光电耦合器等光学电子器件的前一版本IEC 60747-5-1/2/3计画在2012年废止。采用IEC 60747-5-2的欧洲标准DIN/EN 60747-5-2则预计在2014年终止并废除，并由新发布基于IEC 60747-5-5的DIN/EN 60747-5-5取代。

IEC 60747-5-5和DIN/EN 60747-5-2都使用部份放电法来测试固态绝缘的同质性，在这个测试中，高达工