功能安全圍繞確保系統(tǒng)即使面對內(nèi)部故障或外部干擾也能預(yù)測和安全地運行。在電機驅(qū)動中，這涉及減輕與電氣、機械和軟件故障相關(guān)的風險。這確保了系統(tǒng)在所有可預(yù)見的情況下可靠運行，并防止傷害、損壞甚至生命損失。

　　本文將重點討論單點電源故障如何導致不受控制的運動。此類故障的另一個方面是對電隔離屏障的損害，這可能導致電擊，因為電機驅(qū)動在數(shù)百至數(shù)千伏的高電壓交流電線上運行，提供高功率。為了最小化事故的可能性并優(yōu)化運行效率，本文將探討高壓光隔離器的堅固構(gòu)造如何減輕電源故障的災(zāi)難性后果。

　　隔離器構(gòu)造

　　在討論電源的單點故障之前，我們將看光學和電容式電隔離柵極驅(qū)動器的構(gòu)造。關(guān)注柵極驅(qū)動器的原因是它們廣泛用于驅(qū)動電機驅(qū)動中的功率半導體，如IGBT。它們在高壓IGBT和控制電路之間提供加強的電隔離。它們抵抗高共模噪聲的能力對于防止錯誤驅(qū)動IGBT至關(guān)重要。因此，隔離柵極驅(qū)動器的堅固構(gòu)造對于在故障期間安全驅(qū)動電機至關(guān)重要。

　　光隔離器通過在LED和探測器之間的寬隔離距離(DTI)提供加強的絕緣，具有三層絕緣屏障。這三層絕緣層是硅膠、聚酰亞胺膜和硅膠，如圖1所示。聚酰亞胺膜專門開發(fā)用于抵抗局部放電的破壞效應(yīng)，這可能導致絕緣材料的電離和擊穿。聚酰亞胺的獨特屬性，如高介電強度和寬溫度范圍，使其在從機車到航空航天的電氣絕緣應(yīng)用中得到廣泛使用。ACPL-334J柵極驅(qū)動光耦合器中使用的聚酰亞胺膜具有典型的介電強度為300 kV/mm，可承受-200 oC至400 oC的溫度。ACPL-334J的DTI為0.5 mm。

　　IEC定義了一個SELV(分離的特低電壓)電路，作為在正常和單一故障條件下電壓不超過ELV(特低電壓)的電路。SELV電路必須具有從所有其他電路的電氣保護分離。在電機驅(qū)動中，輸入處的電源電路應(yīng)與PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制電路分離。ACPL-334J的輸入端引線框架設(shè)計有超過0.8 mm的保護分離距離，如圖2所示。

　　電容隔離器使用二氧化硅(SiO2)作為芯片上絕緣的介電材料。隔離電路與其他電路集成在同一芯片上，采用單片過程。高電壓隔離是通過在輸入和輸出端各使用兩個厚的SiO2電容器串聯(lián)來實現(xiàn)的。高壓電容器使用與CMOS生產(chǎn)相同的過程。電容隔離器的SiO2或DTI厚度在0.014到0.028 mm之間。

　　使用電容隔離的柵極驅(qū)動器的X光片顯示在一個兩芯片模塊中，輸入和輸出IC具有隔離電容器以增加高電壓能力。由于這是一個單片過程，柵極驅(qū)動器的輸入IC由電源電路、PWM控制電路和SiO2電容器組成一個單芯片。

　　單點故障—電源故障

　　電機驅(qū)動中功能安全至關(guān)重要的主要原因之一是故障期間的災(zāi)難性后果。單點電源故障可能導致不受控制的運動并破壞隔離屏障。單獨來說，PWM控制器不能被認為是安全關(guān)閉的。原因是如果電源出現(xiàn)故障并且輸入IC受損，必須保證能夠關(guān)閉電機。

　　然而，在電容隔離的單芯片架構(gòu)中，電源故障可能導致輸入邏輯(IN+/IN-)處于錯誤狀態(tài)，發(fā)出錯誤的電機運動信號。另一方面，ACPL-334J的輸入端引線框架提供了從故障電源的保護分離。這種架構(gòu)中的冗余提供了一種故障安全條件，在這種條件下，PWM LED不會向電機傳遞錯誤信號。

　　另一個方面是研究電源故障對電隔離屏障的影響。通過增加光學和電容隔離柵極驅(qū)動器的供應(yīng)引腳偏置直到輸入IC擊穿，進行了電源破壞性測試。這是為了模擬電源故障時輸入IC中不受控制的電流激增。根據(jù)UL 1577，通過對柵極驅(qū)動器施加5 kV RMS的絕緣測試電壓來進行驗證測試，以檢測泄漏電流，II-O不超過5 μA。表1顯示了電源破壞性測試的測試條件和結(jié)果。

　　高電壓泄漏電流被施加到設(shè)備測試單元(DUT)的控制單元上，以查看絕緣屏障是否降級。使用光學絕緣的ACPL-334J柵極驅(qū)動器在破壞性電源測試后沒有泄漏電流的變化。這歸功于具有寬DTI和由硅膠、聚酰亞胺膜和硅膠組成的三層絕緣的堅固絕緣構(gòu)造，如ACPL-334J的橫截面X光片所示。盡管很明顯電源已經(jīng)損壞了PWM LED和輸入IC，但由于其與它們的距離，聚酰亞胺膜或絕緣帶仍然完好無損。

　　然而，使用電容絕緣的柵極驅(qū)動器顯示出非常高的泄漏電流，超過了高電壓測試儀的限制。進行了故障分析，以查看導致高泄漏電流的損壞程度。

　　圖7顯示輸入IC的SiO2電容器受損，損害了隔離器的絕緣能力。由于絕緣電路與輸入電路在同一芯片上集成，并采用單片過程，它們的接近性和薄DTI是絕緣失敗的明顯原因。這表明電源的單點故障可以損壞電容絕緣屏障，可能導致電擊并危及安全。

　　光隔離器要點

　　光學和電容隔離器在絕緣高電壓、保護低電壓電路和確保用戶安全方面都做得很好。然而，如本文所討論的電源故障等外圍電路的故障事件可能會損壞絕緣屏障，危及功能和電氣安全。隔離屏障的基本構(gòu)造對于確定故障能多容易達到并損壞絕緣屏障至關(guān)重要。ACPL-334J的引線框架保護分離和三層絕緣創(chuàng)造了一個故障能量無法到達的間隙。另一方面，電容隔離構(gòu)造使用單片過程，將電氣電路和SiO2電容器集成在一個芯片上，為故障到達絕緣屏障創(chuàng)造了接近性

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