失效模式 1：跨隔離柵的高電壓

隔離器配置的示例如圖 2 所示。隔離器具有兩組引腳。一組在 1 側(cè)，另一組在 2 側(cè)。在正常運(yùn)行時，1 側(cè)的引腳都是相對于 GND1 的低電壓；2 側(cè)的引腳都是相對于 GND2 的低電壓。隔離器中耗散的功率取決于施加到隔離器引腳上的電壓和電流。在正常運(yùn)行時，功率保持在隔離器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大限值以下。GND1 和 GND2 之間可能存在非常高的電壓。該電壓出現(xiàn)在隔離器的內(nèi)部隔離柵上。

圖 2 隔離器的正常運(yùn)行配置示例。

隔離器可承受不同幅度和持續(xù)時間的高電壓瞬態(tài)曲線。相應(yīng)地，隔離器的隔離性能可通過多個參數(shù)進(jìn)行量化。60 秒隔離耐受電壓（V_ISO 和 V_IOTM）表示可承受因切換負(fù)載或故障而在系統(tǒng)電源線上引起的短時過壓。重復(fù)峰值或工作電壓（V_IOWM 和 V_IORM）是隔離器在其整個工作壽命期間可以連續(xù)承受的電壓。浪涌耐受電壓 (V_IOSM) 是對特定瞬態(tài)曲線的耐受度（1.2/50μs，請參見 IEC 61000-4-5），表示在直接和間接雷擊期間電源線路中的感應(yīng)電壓。

對于每個參數(shù)，都通過電壓值設(shè)置了限值，該電壓值會導(dǎo)致隔離柵斷開，從而在隔離器的一側(cè)與另一側(cè)之間形成短路。這些參數(shù)在隔離器的數(shù)據(jù)表中給出，反映了隔離器在不損壞的情況下處理高電壓的能力。參考 [1] 中詳細(xì)討論了這些參數(shù)。在系統(tǒng)級別，例如對于圖 1 所示的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，電源進(jìn)線確實(shí)會遇到上述不同的過壓曲線。隔離式柵極驅(qū)動器的一端電連接到交流線路，另一端以接地端為基準(zhǔn)，很明顯，柵極驅(qū)動器中的隔離柵直接面臨這些應(yīng)力。

圖 3 和圖 4 顯示了這些穿過隔離柵的高壓應(yīng)力，例如，使用 TI 的一個光耦合器和一個串聯(lián)電容器增強(qiáng)型隔離器時。當(dāng)應(yīng)力電壓上升到超過隔離器的安全限值時，隔離柵可能會降級，從而在 1 側(cè)和 2 側(cè)之間形成低電阻路徑。對于光耦合器，隔離柵是硅酮和絕緣膠帶的組合；而對于 TI 的隔離器，隔離柵是兩個高壓 SiO₂ 電容器的串聯(lián)組合。在每種情況下，由于額定限值是通過使隔離柵失效而獲得的，因此根據(jù)定義，兩個隔離器都會發(fā)生“短路故障”。

圖 3 光耦合器上的高電壓應(yīng)力。

圖 4 串聯(lián)電容器隔離器上的高電壓應(yīng)力。

根據(jù)具體應(yīng)用，終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)決定了系統(tǒng)中所用隔離器的規(guī)格。這些標(biāo)準(zhǔn)可確保隔離器比實(shí)際用例中它們在隔離柵上可能遇到的電壓應(yīng)力水平更強(qiáng)。例如，IEC 61800-5-1 規(guī)定了交流電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中使用的隔離器的要求。選擇符合終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的隔離器可更大程度地降低實(shí)際運(yùn)行期間隔離柵因過壓而擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。但是，如果隔離器超過標(biāo)準(zhǔn)要求，則可以進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。

本文所述的 TI 增強(qiáng)型隔離器件使用 SiO₂ 作為絕緣材料，其擊穿強(qiáng)度 (500V/μm) 遠(yuǎn)高于競爭解決方案所使用的擊穿強(qiáng)度。例如，傳統(tǒng)光耦合器中使用的硅酮和塑封的擊穿強(qiáng)度為 30V/μm 至 50V/μm。TI 增強(qiáng)型隔離器還采用精密半導(dǎo)體制造工藝制造而成，能夠嚴(yán)格控制尺寸和間距。由于這兩個因素，TI 器件在給定封裝下具有很高的隔離性能。它們可以有效解決暫時性的電壓和浪涌問題以及長達(dá)多年的持續(xù)高壓運(yùn)行問題。例如，采用 16-SOIC 封裝的 TI 隔離器的工作電壓比同類競爭解決方案高 50%。有關(guān) TI 隔離器隔離性能的更多詳細(xì)信息，請參見相應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)表和參考資料 [1]。

對于給定應(yīng)用，TI 增強(qiáng)型隔離器件可以提供臨界裕度，甚至超出終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，從而更大限度地降低發(fā)生失效模式 1 的可能性。參考 [2] 中討論了 IEC 61800-5-1 標(biāo)準(zhǔn)以及 TI 隔離器與此標(biāo)準(zhǔn)要求的性能對比。