了解隔离器故障模式，保证电源设备安全隔离

隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响，功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器；检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器；以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因，还是为了优化性能，都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑，但它也存在缺点：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案，多年来，它是系统隔离的当然选择。最近十年来，基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案；从系统角度考虑，它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。

隔离器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，图1中展示的电机驱动系统，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。

我提到了隔离的关键应用之一：防止电击。

在高压应用中，隔离栅失效可能会导致潜在的操作员安全隐患或对敏感的控制电路造成损坏，从而导致系统故障。因此， 重要的是要了解在正常和故障条件下可能导致隔离器发生故障的原因。您需要了解每种情况下故障的性质，以了解是否需要采取额外措施来防止电气危险。

那么是什么导致隔离器失效呢？

第一种故障模式（故障模式 1）是当超过隔离器额定规格的高压发生在隔离栅上时，会导致绝缘击穿。这种高电压可以是持续几秒或几分钟的正弦电压形式，也可以是由直接和间接雷击引起的浪涌脉冲，或者是持续数月或数年的连续过电压。图 1 显示了这种故障模式。

失效模式 1 发生在所有隔离器和耦合器中，无论是磁性的、电容的还是光学的，无论类型和结构如何。在最终系统中很容易避免：只需选择额定规格超过所有条件下终端设备预期电压的隔离器。终端设备标准（例如国际电工委员会 (IEC) 61800-5-1 用于可调速电机驱动器）通过建立明确的指导方针来确保电气安全，从而使这一选择变得简单。TI 的增强型隔离器提供业界最高的隔离等级之一，因此在多种应用中针对故障模式 1 的裕度至关重要。

图 1：故障模式 1 是隔离栅上的高压

第二种故障模式，即故障模式 2，发生在高功率事件（定义为高电压和高电流事件的组合）发生在隔离器的一侧时。这种事件引起的过热和机械应力会破坏相关的硅芯片。TI 增强型隔离器中的绝缘层由放置在两个不同硅芯片上的两个高压电容器串联组合而成。即使一个芯片由于电气过应力而损坏，另一个芯片仍保持完好，提供基本隔离。此特性称为“故障打开”行为。故障模式 2 如图 2 所示。

图 2：故障模式 2 是靠近隔离栅的高电压和高电流

图 3 显示了一个去封装的 TI 增强型隔离器的照片，显示了一半的隔离完好无损，即使在两侧之一受到浪涌电压之后也是如此。许多竞争隔离解决方案不使用串联的两个单独的隔离栅，因此在类似情况下可能会“短路”，从而影响电气安全。

图 3：TI 增强型隔离器可承受故障模式 2

在我们的白皮书“了解隔离器中的故障模式”中，Neeraj Bharadwaj、Kannan Soundarapandian 和我详细讨论了这个话题。在本白皮书中，我们还展示了一些实验结果，这些结果展示了 TI 增强型隔离器的失效打开行为。