元芳，你怎么解读隔离器件的失效模式？

时间： 2016-09-10 来源：TI

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隔离器件是一种用来在两个电路系统之间传递数据和能量，同时最小化直流和瞬态电流干扰的器件。在大多数的系统中，隔离器件不仅保证了系统的功能性，而且为低压系统提供了一道抵御高电压干扰的屏障。例如在电机驱动系统中，隔离的IGBT驱动一方面把来自于控制器的以控制侧系统地作为参考的低电压信号转化成了以IGBT驱动管发射极点作为参考的IGBT驱动信号。与此同时，IGBT驱动作为一道屏障有效地保护了控制模块避免受到来自高电压侧的干扰。这样就有效地避免了控制器侧的操作人员发生触电风险。

在高电压系统中，隔离器件的故障会导致操作人员的触电风险，或者损坏敏感控制侧电路从而引起更大的系统故障。因此，了解隔离器件在不同工作状态下的失效模式是很有必要的。研发人员可以通过了解不同故障情况下的特性来决定系统是否需要采取额外的措施来防止触电危险。

在本文中，我们将分析隔离器件的两种失效模式。第一种失效模式是加在隔离器件壁垒之间的电压超过了极限值。第二种失效模式是因为隔离器件内部的子电路遭到了高电压高电流的破坏。这些电路故障可能会导致隔离器件壁垒的破坏。在这里，我们主要分析了SILICON LABS的基于串联电容技术的增强型绝缘隔离器件和传统的基于光耦的隔离器件。

对于第一种失效模式，虽然基于两种隔离技术的隔离器件在失效模式下都是表现出短路状态，但是因为增强型绝缘隔离技术的使用，SILICON LABS的隔离器件发生故障的概率更低。通过分析，我们还可以知道SILICON LABS的隔离器件在第二种失效模式中表现的是开路的状态。

失效模式1：当高电压加在隔离壁垒两端的失效模式
隔离器件有两组管脚。一组管脚在隔离器件的一次侧，另一组管脚在隔离器件的二次侧。正常情况下，一次侧的管脚上连接的都是以GND1作为参考的低电压信号。二次侧的管脚连接的信号都是以GND2作为参考的。隔离器件的功耗和加在隔离器件上的电压和电流有关。在正常情况下，隔离器件的功耗保持在数据手册上规定的最大值以下。GND1和GND2之间会存在很高的电压。这些高压会加在隔离器件的内部隔离壁垒两端。不同的隔离器件可以承受不一样的瞬态电压。瞬态电压会有不同的幅值和持续时间。相应的，不同的参数被用来量化隔离器件的性能。60秒的耐压（VISO和VIOTM）被用来衡量隔离器件对于由系统电网负载切换和故障带来的短时间过电压的承受能力。周期性的峰值电压（VIORM）和工作电压（VIWM）被用来衡量隔离器件对于工作周期内持续电压的承受能力。浪涌电压（VSURGE和VIOSM）被用来衡量隔离器件对于定义在IEC 60060-1中瞬态电压（1.2/50us）的承受能力。这种类型的瞬态电压是由电源线受到直接或间接闪电触击而引起的。对于这些参数，电压极限值被定义为能够破坏隔离壁垒并且使隔离器件两侧短路的数值。这些参数都定义在了隔离器件的数据手册中。参数的具体数值体现了隔离器件耐高压不被破坏的能力。对于一个系统，如电机驱动系统，以上定义的过压模式都出现在输入电源线上。这些电压应力被加在IGBT隔离驱动隔离壁垒两端。因为，隔离驱动隔离壁垒的一端连接着以大地作为参考的低压而另外一端连接着以交流电源线作为参考的高压。

当高压应力分别加在了基于光耦技术的隔离器两端，和SILICON LABS的基于串联电容技术的隔离器件两端。当两端所加高压应力高于隔离器件所能承受的耐压极限值时（均标注于各自规格书上），隔离器件的壁垒会被击穿并且短路。在基于光耦的隔离器件中，隔离壁垒是由有机硅和模塑化合物组成的。而在SILICON LABS的隔离器中，隔离壁垒是由基于二氧化硅的高压电容组成。对于两种隔离器件，因为耐压极限值是通过破坏隔离壁垒得到的测试值，所以根据定义两个隔离器件在故障的时候都是表现为短路。终端设备标准规定了隔离器件在不同应用系统中的具体要求。这些标准确保了隔离器件在应用中不被电压应力破坏。例如，标准IEC61800-5-1定义了电机驱动系统中隔离器件的需求。合理地选择满足终端设备应用要求的隔离器件可以最小化隔离器件被过压破坏的风险。如果隔离的强度比标准的规定值更高的话，隔离器件发生故障的概率更低。

SILICON LABS的增强型绝缘隔离器件使用的是基于二氧化硅超过500V/um耐高压隔离壁垒。SILICON LABS隔离壁垒的强度比竞争对手隔离壁垒的强度高很多。在传统基于光耦的隔离器中，有机硅和模塑化合物被用作隔离壁垒。其强度只有30V/um到50V/um。另外，SILICON LABS的隔离器件在尺寸和空间上也有严格的控制，这得益于SILICON LABS精确的半导体制造工艺。正因为如此，对于相同的封装，SILICON LABS的隔离器件有更好的耐压性能。SILICON LABS的隔离器件可以有效地的承受各种电压应力，例如长期工作电压，短暂过电压和浪涌电压。SILICON LABS基于SOIC-16封装的隔离器件的工作电压比竞争对手高50%。对于一个特定的应用，SILICON LABS的增强型隔离器件可以提供比终端设备标准要求的更高的耐压。这样可以有效地减小隔离器件发生失效模式1 的几率。

失效模式2：当高电压和大电流加在隔离壁垒一侧的失效模式
在异常和失效模式下，隔离器件的一侧会产生对该侧地的高电压和大电流。例如，隔离器件输出侧低阻抗管脚的短路事件。再例如，隔离器件的一个管脚短接到了高电压的直流总线造成电气击穿。当高电压和大电流同时存在的时候，高能量损坏事件会发生。当这些事件发生的时候，电气过应力和内部的发热会削弱隔离器件隔离壁垒的性能。例如，如果光耦二次侧存在高功率的话，接受端电路会出现发热和电气过应力的情况。这些影响会被延伸到隔离材料，从而造成隔离器件性能的减弱。在这种情况下，虽然隔离器件没有完全被损坏，但是隔离器件的隔离性能很难被量化了。

对于基于串联电容技术的隔离器件，隔离器件二次侧的高电压和高功率事件会损坏二次侧的电路和隔离电容。但是因为模塑化合物的保护，这种电路损坏不会延伸到隔离器件左边的电路和隔离电容。在这种故障情况下，隔离器件还能保持一半的隔离性能。比如说，故障之前的隔离器件能够提供增强型的隔离，那么故障之后的隔离器件还能保持由一个隔离电容提供的基本隔离性能。所以，在隔离器件发生开路之后，隔离器件还能保持基本的隔离性能。合理使用外部电路是一种有效防止模式2故障发生的方法。比如说通过限制电源的输出电流可以有效地限制隔离器件在失效模式下的功耗。可以根据隔离器数据手册上的电流和功耗的安全值来设定电流限定值。在安全值之下，隔离器件的性能不会受到影响。但是，在某些应用中，电流限制不一定有效。比如，如果IGBT的集电极和门极被击穿，那么直流总线的高电压就会被加在IGBT驱动的输出管脚。连接到这个管脚的电路都会受到电气过应力从而导致故障。从系统级别来讲，这种故障不是很容易避免。在这种情况下，SILICON LABS的增强型绝缘的隔离器件的故障开路的特点可以从器件级别加强系统的电气安全性。

结论：
理解隔离器件在不同高电压应用系统中的失效模式是很有必要的，这有助于我们确定是否需要采取额外的措施来防止系统级别的触电风险。根据定义，当施加在隔离器件隔离壁垒两端的电压高于上限值时，各种不同厂家隔离器件均会表现出短路的模式。这种失效模式可以通过使用比终端设备要求更高耐压的隔离器件来有效避免。

在市场上，SILICON LABS的增强型的隔离器能够提供最高的高压隔离性能。如果使用SILICON LABS的增强型隔离器件，这种故障短路的模式可以得到最有效地避免。当隔离器件没有工作在正常的电流和功率范围内的时候，隔离器件的隔离性能会被减弱。在SILICON LABS基于串联型电容技术的隔离器件中，故障只是发生在一个隔离电容中，而另一个隔离电容能够正常工作。正因为如此，SILICON LABS的增强型隔离器件表现出故障开路的模式，并且能够在失效模式下保持基本的隔离性能。

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全部评论（4）

空格 Lv4. 资深工程师 2018-02-26

好东西，学习学习
普天同庆 Lv4. 资深工程师 2017-12-30

知了，谢谢
鄗立恒 Lv8. 研究员 2017-09-13

大神的文章，膜拜了。
NASA911 Lv8. 研究员 2017-09-09

好东西，学习学习

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Silicon Labs（芯科科技） Si86xx数字隔离器数据手册

型号- SI8661BC-B-IS1R,SI8642BB-B-IS,SI8642ED-B-ISR,SI8621BC-B-ISR,SI8620AX,SI8652BB-B-IS1R,SI8651BB-B-IS1,SI8660BA-B-IS1,SI8650,SI8662BC-B-IS1,SI8663AB-B-IS1R,SI8645BA-B-IU,SI8655,SI8642BB-B-IS1,SI8651,SI8652,SI8620AB-B-ISR,SI8652EC-B-IS1,SI8660BB-B-IS1R,SI863X,SI8640BB-B-IS,SI8650BD-B-ISR,SI8645BB-B-IS1,SI8630AB-B-IS1R,SI8663EC-B-IS1R,SI8640BD-B-IS,SI8662BB-B-IS1R,SI8660,SI8661,SI8635BD-B-ISR,SI8610BB-B-ISR,SI8660ED-B-ISR,SI8635BD-B-IS,SI8622ED-B-ISR,SI8662,SI8663,SI8642BD-B-IS,SI8661EC-B-IS1,SI8631BD-B-IS,SI8631AX,SI864X,SI8610ED-B-ISR,SI8635BC-B-IS1R,SI8630BC-B-IS1,SI8640EC-B-IS1,SI8661EC-B-IS1R,SI8663BD-B-IS,SI8622EC-B-ISR,SI8610BB-B-IS,SI8641BB-B-IUR,SI865X,SI8660BA-A-IS1,SI8651ED-B-ISR,SI8641BC-B-IS1R,SI8642AX,SI8663ED-B-ISR,SI8635BC-B-IS1,SI8631BB-B-IS,SI8635BB-B-IS,SI8661AB-B-IS1,SI8661AB-B-IS1R,SI8642AB-B-IS,SI8650ED-B-IS,SI8641BA-B-IU,SI8631AB-B-IS,SI8622EB-B-IS,SI8650AB-B-IS1R,SI8620AB-B-IS,SI8631EC-B-IS1,SI8655BD-B-ISR,SI86XX,SI866X,SI8621ED-B-IS,SI8663BC-B-IS1R,SI8630AX,SI8640BA-B-IUR,SI8641BD-B-ISR,SI8652AB-B-IS1,SI8622EC-B-IS,SI8641EC-B-IS1,SI8621BB-B-IS,SI8631AB-B-ISR,SI8631BB-B-ISR,SI8640AB-B-IS1,SI8640BC-B-IS1R,SI8652BD-B-IS,SI8655BD-B-IS,SI8610BC-B-ISR,SI8630ED-B-ISR,SI8662BD-B-ISR,SI8610AB-B-IS,SI8620BC-B-IS,SI8620BB-B-IS,SI8610,SI8641AX,SI8662BB-B-IS1,SI8620EC-B-IS,SI8655BB-B-IS1R,SI8660ED-B-IS,SI8645BB-B-IS1R,SI8631BB-B-IS1,SI8622BB-B-ISR,SI8620ED-B-ISR,SI8650BC-B-IS1,SI8663AB-B-IS1,SI8640AB-B-ISR,SI8662ED-B-ISR,SI8622ED-B-IS,SI8630BC-B-IS1R,SI8641BB-B-ISR,SI8622,SI8642BT-ISR,SI8631BC-B-IS1R,SI8640BB-B-IS1,SI8641BC-B-IS1,SI8620,SI8641BD-D-IS,SI8621,SI8640EC-B-IS1R,SI8652AX,SI8641ED-B-ISR,SI8620BC-B-ISR,SI8620BD-B-IS,SI8622BD-B-IS,SI8655BA-B-ISR,SI8620EC-B-ISR,SI8641ED-B-IS,SI8640AB-B-IS1R,SI8661BD-B-IS,SI8635,SI8630EC-B-IS1R,SI8630,SI8631,SI8640AX,SI8663AX,SI8630AB-B-IS1,SI8621AB-B-ISR,SI861X,SI8652ED-B-IS,SI8650EC-B-IS1,SI8642BB-B-IS1R,SI8620BD-B-ISR,SI8662AB-B-IS1R,SI8662BC-B-IS1R,SI8663ED-B-IS,SI8650BD-B-IS,SI8640BC-B-IS1,SI8645,SI8662EC-B-IS1,SI8640,SI8641,SI8630ED-B-IS,SI8642,SI8651AX,SI8640AB-B-IS,SI862X,SI8641BB-B-IS,SI8655BA-B-IUR,SI8621EC-B-ISR,SI8661BB-B-IS1R,SI8652BC-B-IS1R,SI8655BB-B-IS1,SI8645BD-B-ISR,SI8642AB-B-IS1,SI8620BB-B-ISR,SI8662AX,SI8645BB-B-IS,SI8650ED-B-ISR,SI8662EC-B-IS1R,SI8642BC-B-IS1R,SI8660AB-B-IS1,SI8642BA-B-IU,SI8621AB-B-IS,SI8640BA-B-IU,SI8652EC-B-IS1R,SI8660BA-B-IS1R,SI8642AB-B-ISR,SI8630EC-B-IS1,SI8630AB-B-IS,SI8651AB-B-IS1,SI8641BA-B-IUR,SI8650AX,SI8631ED-B-IS,SI8642BD-B-ISR,SI8652BB-B-IS1,SI8660BC-B-IS1R,SI8630AB-B-ISR,SI8640ED-B-IS,SI8651BB-B-IS1R,SI8642ED-B-IS,SI8652AB-B-IS1R,SI8622BC-B-ISR,SI8631BC-B-IS1,SI8650BB-B-IS1,SI8610ED-B-IS,SI8631AB-B-IS1R,SI8641BB-B-IS1,SI8650BC-B-IS1R,SI8660BD-B-IS,SI8655BA-C-IUR,SI8631BD-B-ISR,SI8641BB-B-IS1R,SI8663BD-B-ISR,SI8661AX,SI8610BC-B-IS,SI8651EC-B-IS1,SI8661BB-B-IS1,SI8631EC-B-IS1R,SI8661ED-B-IS,SI8622EB-B-ISR,SI8652BC-B-IS1,SI8631AB-B-IS1,SI8651BD-B-ISR,SI8610AB-B-ISR,SI8621ED-B-ISR,SI8640BB-B-ISR,SI8622BD-B-ISR,SI8630BB-B-IS1R,SI8642EC-B-IS1R,SI8645BD-B-IS,SI8641BD-B-IS,SI8661BC-B-IS1,SI8630BD-B-IS,SI8660EC-B-IS1,SI8610BD-B-ISR,SI8641EC-B-IS1R,SI8645BC-B-IS1,SI8650EC-B-IS1R,SI8622BB-B-IS,SI8630BD-B-ISR,SI8640BB-B-IS1R,SI8641BA-C-IU,SI8635BB-B-ISR,SI8621BC-B-IS,SI8641AB-B-IS1R,SI8622BC-B-IS,SI8660AX,SI8610EC-B-ISR,SI8621EC-B-IS,SI8651BC-B-IS1,SI8651ED-B-IS,SI8662ED-B-IS,SI8610AX,SI8641BA-C-IUR,SI8652BD-B-ISR,SI8663EC-B-IS1,SI8621BD-B-ISR,SI8641BB-B-IU,SI8651BD-B-IS,SI8651EC-B-IS1R,SI8663BB-B-IS1R,SI8620ED-B-IS,SI8640BD-B-ISR,SI8660AB-B-IS1R,SI8641AB-B-IS,SI8642AB-B-IS1R,SI8660BC-B-IS1,SI8630BB-B-ISR,SI8642EC-B-IS1,SI8640ED-B-ISR,SI8645BB-B-ISR,SI8621AX,SI8660BD-B-ISR,SI8655BA-B-IS,SI8641AB-B-IS1,SI8650AB-B-IS1,SI8661BD-B-ISR,SI8663BC-B-IS1,SI8631ED-B-ISR,SI8662BD-B-IS,SI8655BA-B-IU,SI8650BB-B-IS1R,SI8621BB-B-ISR,SI8645BA-B-IUR,SI8630BB-B-IS,SI8610EC-B-IS,SI8630BB-B-IS1,SI8660BB-B-IS1,SI8610BD-B-IS,SI8660EC-B-IS1R,SI8645BC-B-IS1R,SI8662AB-B-IS1,SI8663BB-B-IS1,SI8652ED-B-ISR,SI8641AB-B-ISR,SI8661ED-B-ISR,SI8642BB-B-ISR,SI8631BB-B-IS1R,SI8642BA-B-IUR,SI8651AB-B-IS1R,SI8642BC-B-IS1,SI8621BD-B-IS,SI8651BC-B-IS1R

数据手册 - SILICON LABS - Rev. 1.0 - 2013年09月01日 PDF 英文下载