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基本隔離 vs 增強(qiáng)隔離,到底有什么區(qū)別?

發(fā)布人:納芯微電子 時間:2024-10-24 來源:工程師 發(fā)布文章

在電氣系統(tǒng)的設(shè)計中,電氣隔離是一個至關(guān)重要的概念。通過隔離高、低壓系統(tǒng),可以實現(xiàn)以下幾點重要功能:

① 使高、低壓系統(tǒng)間相互獨立,提高低壓系統(tǒng)的抗干擾能力;

② 保證高、低壓系統(tǒng)間的安全交互,使系統(tǒng)安全工作;

 保護(hù)使用者的人身安全,免受高壓系統(tǒng)的電擊傷害。


本文將詳細(xì)介紹電氣隔離的基本知識,包括電氣隔離的定義與重要性,隔離等級的分類與定義,以及隔離器認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

電氣隔離的定義和重要性

電氣隔離通過使用隔離器件以防止具有破壞性的電氣信號在高/低壓子系統(tǒng)間傳輸,同時允許安全的、系統(tǒng)正常運行所需的電氣信號在高/低壓系統(tǒng)間進(jìn)行交互的過程方式。以下討論三種系統(tǒng)交互的場景:

1. 當(dāng)兩個低壓系統(tǒng)進(jìn)行交互時,電氣信號可以在兩個系統(tǒng)間自由傳輸。在這種狀態(tài)下,通常我們認(rèn)為系統(tǒng)的工作是安全的。

2. 當(dāng)高/低壓系統(tǒng)不使用隔離器直接進(jìn)行交互時,由于高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)間存在較高的電勢差,此時高壓系統(tǒng)就有可能向低壓系統(tǒng)傳輸具有破壞性的電氣信號,會使低壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)出現(xiàn)異常,甚至導(dǎo)致其永久性損壞,不僅會影響系統(tǒng)的功能安全,還可能會危及人身安全,導(dǎo)致重大的安全事故等。

3. 在高、低壓系統(tǒng)間使用隔離器進(jìn)行電氣隔離后,具有破壞性的電氣信號被隔離器阻斷,安全的、系統(tǒng)正常運行所需的電氣信號在高/低壓系統(tǒng)間交互,系統(tǒng)的功能安全得以保證。 

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電氣隔離的定義

隔離等級的分類與定義

根據(jù)隔離性能的差異,電氣隔離被分為不同的隔離等級,功能隔離、基本隔離、雙重隔離、增強(qiáng)隔離是幾種比較典型的隔離等級:

1.功能隔離,只能實現(xiàn)設(shè)備正常工作所必須的隔離,沒有電擊保護(hù)的功能,如電路板上的PCB材料。

2.基本隔離,只提供單級隔離,能夠在絕緣層完好的情況下實現(xiàn)隔離。但一旦絕緣層失效,系統(tǒng)將存在電擊的風(fēng)險。一般情況下,基礎(chǔ)型隔離器能夠隔離的電壓在3kV左右,也有少數(shù)的基礎(chǔ)型隔離器的隔離電壓可以達(dá)到5kV。

3.雙重隔離,在基本隔離的基礎(chǔ)上增加了一層隔離,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的冗余,它能夠在單級隔離失效時保證系統(tǒng)的安全。通過這種方式,隔離電壓可以達(dá)到5kV及以上。

4.增強(qiáng)隔離,也是一種單級隔離,但可以做到與雙重隔離等效的隔離強(qiáng)度。 未標(biāo)題-2-02.jpg

隔離等級的分類與定義

隔離器認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

目前,常見的隔離器大多采用基本隔離增強(qiáng)隔離的方式。為了取得上述兩種隔離的認(rèn)證,隔離器的性能需要符合地區(qū)規(guī)范及安全標(biāo)準(zhǔn)。

在隔離器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證方面,國際電工委員會(IEC是世界上成立最早的非政府性國際電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。IEC與多個地區(qū)的機(jī)構(gòu)合作,為電氣/電子設(shè)備制定國際安全標(biāo)準(zhǔn)。不同的地區(qū)會有不同的機(jī)構(gòu)制定地區(qū)標(biāo)準(zhǔn),如美國、加拿大、德國、中國等地都有屬于自己的本土機(jī)構(gòu)。 

只有通過了當(dāng)?shù)氐牡貐^(qū)標(biāo)準(zhǔn),隔離器才能夠合法地進(jìn)行商業(yè)推廣,搭載了該隔離器的電氣/電子產(chǎn)品也才能銷售給終端客戶。通常,在隔離器數(shù)據(jù)手冊的第一頁會列出該隔離器通過了哪些地區(qū)的認(rèn)證。其中,數(shù)字隔離器的增強(qiáng)隔離等級主要是由VDE提出并由IEC作為全球標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推廣。納芯微是數(shù)字隔離器產(chǎn)品的領(lǐng)跑者,也是國內(nèi)首家通過VDE增強(qiáng)型隔離認(rèn)證的半導(dǎo)體公司。

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隔離器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證機(jī)構(gòu)

VDE的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下,基本型和增強(qiáng)型隔離器都有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)規(guī)范。 

在最大浪涌電壓測試中,基本型和增強(qiáng)型都需要通過50次的雙極性浪涌沖擊,最終測得的電壓不得超過數(shù)據(jù)表中最大浪涌電壓的1.3倍,在此基礎(chǔ)上,增強(qiáng)型還需要至少要通過10kV的浪涌電壓測試。 

在實際應(yīng)用中,當(dāng)設(shè)備內(nèi)部存在缺陷時,就會出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象。局部放電現(xiàn)象是指導(dǎo)體間絕緣的部分區(qū)域被擊穿的電氣放電現(xiàn)象,在短時間內(nèi)它并不影響絕緣強(qiáng)度,但在高壓的反復(fù)作用下,缺陷最終會導(dǎo)致器件被擊穿。因此,需要通過非破壞性實驗檢測出這些缺陷,基本型隔離器需通過1.5倍的VIOSM浪涌測試,而增強(qiáng)型隔離器的局部放電測試則需在1.875VIOSM電壓下進(jìn)行測試。

根據(jù)不同溫度,不同電壓下的芯片工作壽命,利用韋伯分布即可擬合出芯片在最小額定壽命及目標(biāo)壽命期間故障率下的工作電壓,然后根據(jù)VDE相關(guān)系數(shù)的要求,即可得出VIORM、VIOSM。從表格中還可以了解到,增強(qiáng)型隔離器有更長的工作壽命,且壽命期間的故障率更低。

通過了上述測試后,即認(rèn)為隔離器達(dá)到了VDE認(rèn)證的要求。

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基本型和增強(qiáng)型隔離器的標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證

綜上所述,電氣隔離涉及到設(shè)備的安全工作和使用者的人身安全,是電氣系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的一部分。



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