高壓電隔離問題

在系統中構建可靠的隔離層時，需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和間隙距離、CMTI 和 EMI。

功能型、基本型與強化型隔離是指派給電氣系統的絕緣體等級，如表 1 所列。

表 1 絕緣額定值。

絕緣體等級	說明
功能	設備正常運作所需的絕緣
基本	提供基本觸電保護的絕緣
補充	除了基本絕緣外也採用獨立絕緣，以在基本絕緣失效時防止觸電。
雙	包含基本與補充絕緣的絕緣
強化	提供與雙絕緣同等觸電程度保護的單一絕緣系統

功能型隔離是指派給系統的最低隔離，使系統能夠正常運作，而無需對觸電進行保護。在指定額定電壓下採用適當印刷電路板 (PCB) 導體間距，便是功能型隔離的範例。

基本型隔離則針對觸電提供「充足」保護，安全等級與最高系統級電壓同等。

強化型隔離是可在高電壓系統上套用的最高商業等級。一種滿足強化型隔離需求的方式是在隔離層上引入更遠的距離，使其能夠承受更高的電壓測試標準和更長的額定使用壽命。例如，在國際電子電機委員會 (IEC) 60747-17 和 IEC 607475-5 中，與基本隔離相比，強制局部放電測試電壓 (V_PD) 保持在加強隔離的更高標準。進一步了解什麼是強化型隔離？影片中的強化型隔離。

進行強化型隔離的高電壓系統認證時，首先需選擇與安全和認證測試協定相容的隔離器 (如各種委員會中定義)。美國安全檢測實驗室 (UL) 是位於美國的全球安全認證實驗室，但每個國家/地區都會依照當地或區域性系統標準來調整合規性。因此供全球使用的隔離器必須符合各種國際安全標準。

表 2 總結數位 (電容和磁性) 隔離器和光耦合器的 IEC 標準要求。

表 2 電容與磁性隔離器及光耦合器的 IEC 標準。

測試	IEC 60747-17 電容與磁性隔離器		IEC 60747-5-5 光耦合器
測試	基本隔離	強化型隔離	僅強化型隔離
V_IORM – 最大重複隔離電壓	AC 電壓 (雙極)	AC 電壓 (雙極)	AC 電壓 (雙極)
V_IOWM – 最大工作隔離電壓	以時間相依介電崩潰 (TDDB) 為基礎的 AC 電壓	以 TDDB 為基礎的 AC 電壓	以局部放電測試為基礎
V_PD – 局部放電測試電壓	V_TEST = 1.5 × V_IOWM	V_TEST = 1.875 × V_IOWM	V_TEST = 1.875 × V_IOWM
V_IOSM – 最大突波隔離電壓	V_TEST = 1.3 × V_IMP	V_TEST = 1.6 × V_IMP10 kV_PK (最小值)	10 kV_PK (最小值)
最低額定使用壽命	20 年 × 1.2	20 年 × 1.5	未定義
使用壽命期間失效率	1,000 ppm	1 ppm	未定義
可允許隔離材質	二氧化矽 (SiO₂) 與薄膜聚合物	SiO₂ 與薄膜聚合物	未定義

隔離器有幾個重要參數。例如沿面距離與電氣間隙距離是隔離層中兩個傳導性導線間最短的距離。如圖 3 所示，沿面距離是在積體電路 (IC) 封裝表面相鄰導體間的最短距離，電氣間隙則透過空氣測量。

圖 3 跨表面的爬電距離和通過隔離器封裝的空氣間隙。

在實現更佳沿面距離與電氣間隙的方法中，封裝技術扮演了十分重要的角色，可為工程師提供各種選項。由於高隔離層級需要較寬封裝與較優異的模封材料，使封裝不致造成故障與電弧，因此高品質模封材料、寬體封裝與高強化型隔離額定值必須彼此互補。

另一個參數是 CMTI，係指隔離器在有高速暫態的情況下能夠可靠運作的能力，並以每微秒千伏或每納秒伏特為單位進行測量。寬能隙半導體的增加造成暫態電壓 (dV/dt) 邊緣速率提高，使 CMTI 方法在衡量隔離器適應性時變得更加重要。具 CMTI 額定值的高性能隔離器可輕鬆達到 100 V/ns，許多測試結果甚至超過 200 V/ns。在高 dV/dt 環境下運作的低 CMTI 隔離器可預期發生訊號完整性問題，例如脈衝抖動、失真、運作不穩定或失去脈衝資訊。

IC 與系統層級的隔離優缺點相似。對較小 IC 封裝尺寸、高整合性、熱管理與認證標準合規性的需求，常需與 EMI 和高效率下降進行權衡。選擇設計在 IC 層級滿足這些需求的隔離元件，可幫助於系統層級無縫轉換至完全強化的合規性。