使用經認證隔離器件確保安全的系統運行

　　介紹

　　隔離器件如光電耦合器等經常被應用于必須把使用者安全問題作為主要考量，不能在連續高工作電壓條件下出現任何失誤的情況，如果絕緣失效使高電壓接觸到使用者，可能會帶來安全隱患并威脅到使用者的生命安全，為了避免這類情況發生，國際元器件標準和設備安全標準就規范了相關的連續工作電壓規格和測試方法。

　　為了給設計工程師帶來信心，隔離器件產品必須通過認證以確保符合目標應用的安全規格絕緣水平要求，而為了符合系統安全規格，設備制造商通常會使用符合公認標準認證的隔離器以確保安全并符合法規要求。這些隔離要求通過遵守機械結構準則和元器件安全標準達成，光電耦合器就是一個目前由零組件安全標準規范的主要范例。

　　光電耦合器標準的一個例子是目前已經由DIN/EN 60747-5-2/DIN/EN60747-5-5取代的VDE0884，這個標準的制定目的是解決所有光電耦合器技術具體安全方面的問題。

　　這個標準的主要成就在于實現100%的生產測試方法，這個方法可以可靠地證明每個產出光電耦合器具有長時間的高電壓耐受力。

　　近年來使用不同耦合技術，例如磁耦合和電容性耦合的隔離器陸續被推向市場，這些替代隔離器通常使用10μm到20μm的超薄絕緣層，光電耦合器的絕緣厚度則為80μm到1000μm。替代隔離器中較薄的絕緣層屏障在相同工作電壓下會有較高的電場壓力，因此要比光電耦合器更容易出現失效的情況。

　　除了機械結構的不同外，光電耦合器和替代隔離器分別使用不同的絕緣材料，光電耦合器通常使用同質聚酰亞胺或硅酮，而替代隔離器則使用旋涂聚酰亞胺或二氧化硅(SiO2)。由于這些替代隔離器目前并無標準可以遵守，因此部份測試公司提供了是否符合DIN/EN 60747-5-2光電耦合器標準認證的服務，但測試單位僅提供基本絕緣的認證，這代表它們僅部份符合并非完全通過認證，原因是相對于安全絕緣應用的薄膜聚酰亞胺和CMOS絕緣品質和特性還未被充分了解，另外，替代隔離器的高電壓老化情況是否和光電耦合器相似也是問題。

　　VDE0884-10為以VDE0884光電耦合器標準為根基的新標準草案，這個標準仰賴部份放電原則來預測安全的連續高電壓工作壽命。在VDE0884-10草案推出后，已經證明部份放電原則無法使用在替代隔離器的老化機制預測上，在較低壓力電壓下有其他老化預測機制可以應用于這些替代隔離器。

　　在實務上，使用光電耦合器的測試方法于替代隔離器上也引發了一些顧慮和問題，本文的目的是提供實驗測試數據和分析來解答這些問題。

　　絕緣結構

　　光電耦合器、磁光隔離器和電容式隔離器有以下的分別，包括絕緣材料、機械結構、絕緣層厚度和介質擊穿強度。光電耦合器，如安華高科技(Avago Technologies)的HCPL-316J在光學路徑兩端使用由聚酰亞胺帶或硅酮組合的厚絕緣材料，如圖1，貫通絕緣距離(DTI, Distance Through Insulation)最小為400μm。　　

圖1：光電耦合器結構。

　　[圖說]
　　Silicone = 硅酮
　　Creepage = 爬電距離
　　DTI = 貫通絕緣距離(DTI)
　　Clearance = 電氣間隙
　　Silicone = 硅酮
　　Insulation Tape = 絕緣帶