隔離用戶及敏感電子部件是電機控制系統(tǒng)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(shè)備和器件。電機控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動電路中的隔離式柵極驅(qū)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(shù)字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優(yōu)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(tǒng)考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會產(chǎn)生延遲，而且會增加系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設(shè)計師傳統(tǒng)上求助于光隔離方案，多年來，它是系統(tǒng)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(shù)字隔離器提供了一種可行且在很多時候更優(yōu)越的替代方案；從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設(shè)計師可能尚未認識到的優(yōu)點。
隔離器是一種用來在兩個電路系統(tǒng)之間傳遞數(shù)據(jù)和能量，同時最小化直流和瞬態(tài)電流干擾的器件。在大多數(shù)的系統(tǒng)中， 隔離器不僅保證了系統(tǒng)的功能性，而且為低壓系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)，隔離的IGBT驅(qū)動一方面把來自于控制器的以控制側(cè)系統(tǒng)地作為參考的低電壓信號轉(zhuǎn)化成了以IGBT驅(qū)動管發(fā)射極點作為參考的IGBT驅(qū)動信號。與此同時，IGBT驅(qū)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(cè)的干擾。這樣就有效地避免了控制器側(cè)的操作人員發(fā)生觸電風(fēng)險。
我提到了隔離的關(guān)鍵應(yīng)用之一：防止電擊。
在高壓應(yīng)用中，隔離柵失效可能會導(dǎo)致潛在的操作員安全隱患或?qū)γ舾械目刂齐娐吩斐蓳p壞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此， 重要的是要了解在正常和故障條件下可能導(dǎo)致隔離器發(fā)生故障的原因。您需要了解每種情況下故障的性質(zhì)，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(dǎo)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(guī)格的高壓發(fā)生在隔離柵上時，會導(dǎo)致絕緣擊穿。這種高電壓可以是持續(xù)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(xù)數(shù)月或數(shù)年的連續(xù)過電壓。圖 1 顯示了這種故障模式。
失效模式 1 發(fā)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(xué)的，無論類型和結(jié)構(gòu)如何。在最終系統(tǒng)中很容易避免：只需選擇額定規(guī)格超過所有條件下終端設(shè)備預(yù)期電壓的隔離器。終端設(shè)備標準（例如國際電工委員會 (IEC) 61800-5-1 用于可調(diào)速電機驅(qū)動器）通過建立明確的指導(dǎo)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(yè)界最高的隔離等級之一，因此在多種應(yīng)用中針對故障模式 1 的裕度至關(guān)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(fā)生在高功率事件（定義為高電壓和高電流事件的組合）發(fā)生在隔離器的一側(cè)時。這種事件引起的過熱和機械應(yīng)力會破壞相關(guān)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(lián)組合而成。即使一個芯片由于電氣過應(yīng)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(cè)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(lián)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(jié)果，這些結(jié)果展示了 TI 增強型隔離器的失效打開行為。
