功能安全围绕确保系统即使面对内部故障或外部干扰也能预测和安全地运行。在电机驱动中，这涉及减轻与电气、机械和软件故障相关的风险。这确保了系统在所有可预见的情况下可靠运行，并防止伤害、损坏甚至生命损失。

　　本文将重点讨论单点电源故障如何导致不受控制的运动。此类故障的另一个方面是对电隔离屏障的损害，这可能导致电击，因为电机驱动在数百至数千伏的高电压交流电线上运行，提供高功率。为了最小化事故的可能性并优化运行效率，本文将探讨高压光隔离器的坚固构造如何减轻电源故障的灾难性后果。

　　隔离器构造

　　在讨论电源的单点故障之前，我们将看光学和电容式电隔离栅极驱动器的构造。关注栅极驱动器的原因是它们广泛用于驱动电机驱动中的功率半导体，如IGBT。它们在高压IGBT和控制电路之间提供加强的电隔离。它们抵抗高共模噪声的能力对于防止错误驱动IGBT至关重要。因此，隔离栅极驱动器的坚固构造对于在故障期间安全驱动电机至关重要。

　　光隔离器通过在LED和探测器之间的宽隔离距离(DTI)提供加强的绝缘，具有三层绝缘屏障。这三层绝缘层是硅胶、聚酰亚胺膜和硅胶，如图1所示。聚酰亚胺膜专门开发用于抵抗局部放电的破坏效应，这可能导致绝缘材料的电离和击穿。聚酰亚胺的独特属性，如高介电强度和宽温度范围，使其在从机车到航空航天的电气绝缘应用中得到广泛使用。ACPL-334J栅极驱动光耦合器中使用的聚酰亚胺膜具有典型的介电强度为300 kV/mm，可承受-200 ºC至400 ºC的温度。ACPL-334J的DTI为0.5 mm。

　　IEC定义了一个SELV(分离的特低电压)电路，作为在正常和单一故障条件下电压不超过ELV(特低电压)的电路。SELV电路必须具有从所有其他电路的电气保护分离。在电机驱动中，输入处的电源电路应与PWM(脉冲宽度调制)控制电路分离。ACPL-334J的输入端引线框架设计有超过0.8 mm的保护分离距离，如图2所示。

　　电容隔离器使用二氧化硅(SiO2)作为芯片上绝缘的介电材料。隔离电路与其他电路集成在同一芯片上，采用单片过程。高电压隔离是通过在输入和输出端各使用两个厚的SiO2电容器串联来实现的。高压电容器使用与CMOS生产相同的过程。电容隔离器的SiO2或DTI厚度在0.014到0.028 mm之间。

　　使用电容隔离的栅极驱动器的X光片显示在一个两芯片模块中，输入和输出IC具有隔离电容器以增加高电压能力。由于这是一个单片过程，栅极驱动器的输入IC由电源电路、PWM控制电路和SiO2电容器组成一个单芯片。

　　单点故障—电源故障

　　电机驱动中功能安全至关重要的主要原因之一是故障期间的灾难性后果。单点电源故障可能导致不受控制的运动并破坏隔离屏障。单独来说，PWM控制器不能被认为是安全关闭的。原因是如果电源出现故障并且输入IC受损，必须保证能够关闭电机。

　　然而，在电容隔离的单芯片架构中，电源故障可能导致输入逻辑(IN+/IN-)处于错误状态，发出错误的电机运动信号。另一方面，ACPL-334J的输入端引线框架提供了从故障电源的保护分离。这种架构中的冗余提供了一种故障安全条件，在这种条件下，PWM LED不会向电机传递错误信号。

　　另一个方面是研究电源故障对电隔离屏障的影响。通过增加光学和电容隔离栅极驱动器的供应引脚偏置直到输入IC击穿，进行了电源破坏性测试。这是为了模拟电源故障时输入IC中不受控制的电流激增。根据UL 1577，通过对栅极驱动器施加5 kV RMS的绝缘测试电压来进行验证测试，以检测泄漏电流，II-O不超过5 µA。表1显示了电源破坏性测试的测试条件和结果。

　　高电压泄漏电流被施加到设备测试单元(DUT)的控制单元上，以查看绝缘屏障是否降级。使用光学绝缘的ACPL-334J栅极驱动器在破坏性电源测试后没有泄漏电流的变化。这归功于具有宽DTI和由硅胶、聚酰亚胺膜和硅胶组成的三层绝缘的坚固绝缘构造，如ACPL-334J的横截面X光片所示。尽管很明显电源已经损坏了PWM LED和输入IC，但由于其与它们的距离，聚酰亚胺膜或绝缘带仍然完好无损。

　　然而，使用电容绝缘的栅极驱动器显示出非常高的泄漏电流，超过了高电压测试仪的限制。进行了故障分析，以查看导致高泄漏电流的损坏程度。

　　图7显示输入IC的SiO2电容器受损，损害了隔离器的绝缘能力。由于绝缘电路与输入电路在同一芯片上集成，并采用单片过程，它们的接近性和薄DTI是绝缘失败的明显原因。这表明电源的单点故障可以损坏电容绝缘屏障，可能导致电击并危及安全。

　　光隔离器要点

　　光学和电容隔离器在绝缘高电压、保护低电压电路和确保用户安全方面都做得很好。然而，如本文所讨论的电源故障等外围电路的故障事件可能会损坏绝缘屏障，危及功能和电气安全。隔离屏障的基本构造对于确定故障能多容易达到并损坏绝缘屏障至关重要。ACPL-334J的引线框架保护分离和三层绝缘创造了一个故障能量无法到达的间隙。另一方面，电容隔离构造使用单片过程，将电气电路和SiO2电容器集成在一个芯片上，为故障到达绝缘屏障创造了接近性

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