数字隔离器的浪涌测试

许多应用需要隔离危险电压，以满足国际安全标准。为了确保设备和操作人员的安全，这些标准通常要求隔离元件（如数字隔离器或光耦合器）能够承受超过10 kV（峰值）的高压浪涌。因此，测试隔离器浪涌能力的能力是开发安全可靠组件的重要组成部分。

国际电工委员会 （IEC） 和电气技术协会 （VDE） 是两个发布标准的组织，负责管理医疗、工业、消费和汽车系统等隔离技术的系统和组件级应用。为了确保存在高压浪涌时人员和设备的安全，这些标准根据给定应用所需的隔离等级或级别规定了不同的浪涌额定值。

有三种常见的隔离类别：功能隔离、基本隔离和强化隔离。功能隔离几乎没有安全要求，因为它通常仅在需要分离接地基准以使电路正常工作的情况下使用。安全性以及浪涌性能不是功能隔离的主要考虑因素。

然而，安全性是基本隔离和强化隔离的关键考虑因素，因此浪涌水平对于定义隔离质量至关重要。基本隔离为终端设备的用户提供防冲击保护，而增强隔离是单个隔离系统，可提供相当于两个冗余单个或基本隔离系统的保护。

医疗和工业应用通常需要加强绝缘，以保护患者或最终用户免受潜在的致命冲击。VDE的数字隔离器加强隔离标准VDE 0884-10除了工作电压（VIORM）和耐压（VISO）要求外，还规定了10 kV的最小浪涌电压（VIOSM）额定值。

数字隔离器的浪涌电压额定值定义了重复的一系列短时间高压脉冲后的生存能力。图1显示了符合IEC 61000-4-5标准的浪涌波形的时序特性。

图1.浪涌电压波形。

通过将器件放在测试板上并短路隔离栅两侧的所有引脚来进行测试（见图2）。高压脉冲发生器通过1000 Ω/1000 pF网络连接到隔离栅的一侧。发电机回路连接到屏障的另一侧。在栅上放置一个100 kΩ、2.5 W电阻，以便在施加每个脉冲后对电路放电。带有 1000：1 高压探头的示波器用于监测脉冲。将喷枪设置为测试计划中要求的最低电压，示波器设置为单触发。在该电压电平下施加十个脉冲，每个脉冲都用示波器监测。隔离栅的突破表现为脉冲幅度急剧下降（在远低于50 μs的时间内衰减到50%）。如果零件承受十个脉冲，则增加喷枪电压，并施加十个脉冲。这种情况一直持续到势垒失效或达到最大测试电压为止。

图2.浪涌测试设置。

通过此测试的能力主要取决于绝缘厚度（也称为绝缘距离或DTI）和绝缘材料的质量。施加的电场往往集中在绝缘体内的缺陷点，因此较低的缺陷密度通常会导致较高的击穿额定值。较厚的材料更耐击穿，因为场强与绝缘两侧导体之间的距离成反比。

光耦合器通常通过10 kV浪涌测试，因为绝缘非常厚（通常为400 μm），这降低了绝缘质量对击穿特性的影响。简而言之，绝缘层非常厚，不需要高质量的材料即可通过10 kV测试。基于变压器的隔离器使用沉积在洁净室环境中的高质量20 μm至32 μm聚酰亚胺层。由于这种材料的缺陷水平比光耦合器中使用的注塑环氧树脂低得多，因此更薄的层仍然可以满足10 kV的要求。电容式隔离器还使用高质量的绝缘层，在这种情况下，二氧化硅（SiO2）在晶圆制造过程中沉积。二氧化硅具有很高的介电强度，但通常不能沉积在非常厚的层中，而不会在薄膜内产生机械应力。较厚的SiO2也会降低电容，从而降低栅层上的耦合效率。因此，电容隔离器通常无法通过10 kV浪涌测试，因此目前无法通过VDE认证为增强绝缘。

在需要加强隔离的应用中，需要防止 10 kV 浪涌，其中人员和设备受到保护。浪涌测试是确定此类应用中隔离组件安全水平的关键步骤。

审核编辑：郭婷