隔离器失效模式解析

2Pai Semi FAE Devin Cheng

解析目的：在高电压大电流应力情况，分析隔离器的失效模式，有助于决定系统是否需要额外的保护以防止隔离器失效后带来的触电危险；同时有助于优化系统电路设计，规避隔离器失效条件，提高系统的稳定性和可靠性。

隔离器失效模式分类：隔离器为低电压系统提供一道抵御高电压干扰的屏障，同时实现高压系统与低压系统数据传输。如图1所示交流电机驱动系统，隔离的驱动器和隔离的电流电压检测器一方面实现数据传输，并把低电压部分控制模块参考地与高电压部分IGBT与电机系统参考地隔离开来。于此同时，避免了低压侧控制系统来自于高压系统的干扰，避免触电危险。

图1 交流电机系统框图

隔离器的失效模式分为两种：第1种失效模式为加在隔离器两侧之间的电压超过了极限值，破坏了两侧的隔离介质；第2种失效模式为隔离器任意一侧加有高电压大电流，破坏了隔离器内部子电路和其中一侧隔离介质。

两种失效模式解析：隔离器第1种失效模式示意图如图2所示。正常情况下，GND1与GND2两端能承受规格书规定的最大隔离电压，用来衡量隔离器对于电网负载切换和故障带来的短时间过电压承受能力以及电源线受到直接或间接闪电触击带来的瞬态电压的能力。当加载隔离器两侧的高电压应力超过隔离电压极限值时，隔离器的两侧的隔离介质会被击穿。

在第一种失效模式下，无论隔离介质是由有机硅和模塑化合物组成的传统光耦，还是隔离介质有二氧化硅或者聚酰亚胺组成的数字隔离器，失效结果均表现为短路。 荣湃数字隔离器由于特有的电容隔离技术的使用，留有很高的耐压裕量，第1种失效模式极少发生。

图2 隔离器第1种失效模式示意图

隔离器第2种失效模式示意图如图3所示。高电压大电流加在隔离器一侧，通常容易在输出侧发生。当隔离器输出侧管脚由于系统故障等原因，接触到了高电压的直流总线，同时会有高电压大电流存在，必然会造成电气击穿，但是仅仅是隔离器输出侧隔离介质被破坏，输入侧隔离介质仍然完好。如果传统光耦二次侧承受高电压大电流的情况，二次侧会出现严重发热和电气过应力的情况，并延伸到隔离材料，削弱隔离性能。削弱隔离性能的大小与二次侧电流大小和持续时间有关。

图3 隔离器第2种失效模式示意图

荣湃实验室对第2种失效模式做了相关实验，试验隔离器为荣湃π141M31， AC额定耐压值3KV，DC额定耐压值5KV。

表2种失效模式三种失效情况试验结果

试验结果如表1所示，序号1和2中，升高VDD对GND之间的电压至隔离器失效，不会破坏隔离器的隔离性能，绝缘电阻、AC耐压和DC耐压性能均无明显影响。序号3中，升高某一通道VOA对GND2电压，当电压达到一定程度时，输出侧子电路和该侧的隔离介质被破坏，AC耐压值和DC耐压值都有所降低，但仍保持了相当高的耐压等级和绝缘性能。因此，荣湃隔离器的第2中失效模式表现为开路。

小结：分析隔离器的失效模式，有助于决定系统是否需要额外的保护以防止隔离器失效后带来的触电危险；同时有助于优化系统电路设计，规避隔离器失效条件，提高系统的稳定性和可靠性。

隔离器主要有两种失效模式，第1种失效模式为隔离器两侧耐压失效，不同厂家隔离器和传统光耦均表现为短路。荣湃数字隔离器由于特有的电容隔离技术的使用，留有很高的耐压裕量，第1种失效模式极少发生。这种故障模式也可以通过使用比终端设备要求更高的耐压隔离器来避免。

第2种失效模式为高电压大电流加在隔离器一侧，仅仅是隔离器一侧隔离介质被破坏，另一侧隔离介质仍然完好。荣湃数字隔离器在第2种失效模式下保持了很高的绝缘性能，失效模式表现为开路。