Изоляция высокого напряжения в современном контексте включает в себя интеграцию подсистем с большими перепадами напряжения и потенциалами заземления системы. Это позволяет применять изоляцию, начиная от источников питания, цепей управления двигателями и промышленных роботов, систем управления аккумуляторными батареями, фотоэлектрических (PV) инверторов, инверторов электромобилей ( E V), сверхбыстрой зарядки и станций беспроводной зарядки до передачи данных и схемы цифрового логического интерфейса.
По сути, наиболее важные компоненты, изоляторы, обеспечивают электрическую изоляцию, что позволяет интегрировать различные подсистемы, прерывая пути прямой проводимости. Интегральные схемы (ИС) могут быть объединены в изоляторы для различных электрических функций, таких как силовые электронные устройства, высокоточные измерения тока и напряжения, аналоговая и цифровая связь и логические интерфейсы, а также преобразование изолированных источников питания.
Технология изоляции
Доступны три типа изоляторов: оптрон, магнитный изолятор и емкостной изолятор. В таблице 1 показаны основные различия между различными методами изоляции, сертификатами безопасности компонентов и механизмами отказа в течение срока службы.
Оптрон передает электрический сигнал через изолирующий барьер, преобразуя электрический сигнал в оптический сигнал с помощью светодиода. На другой стороне изолирующего барьера толщиной от 0,08 мм до 2 мм оптрон преобразует оптический сигнал обратно в электрический сигнал через фотодиоды. С точки зрения надежности в течение срока службы целостность изоляционного материала оптронов, может быть, предсказана путем измерения частичных разрядов.
Теоретические значения диэлектрической прочности изоляционных материалов всегда применялись бы, если бы производители оптронов могли производить неизменно чистые изоляционные барьеры. Однако часто высоковольтные диэлектрики содержат дефекты, такие как пустоты и включения воздуха или других примесей. Эти пустоты имеют более низкую прочность на пробой, чем окружающий диэлектрик. Разряд или дуга, когда достигает их прочности, производит пробой. Однако, разряд ограничен длиной пустоты. После разрядки разряд будет медленно перезаряжаться ограниченным током, доступным через хороший диэлектрик. Пустота в конечном итоге перезаряжается до напряжения пробоя и снова разряжается. Процесс продолжается, пока приложенное электрическое поле остается достаточно высоким. Эти разряды считаются «частичными», потому что они происходят через пустоту на ограниченной части длины диэлектрического барьера. Частичные разряды, которые не могут быть обнаружены путем измерения тока утечки, со временем могут распространяться по изоляции, что в конечном итоге приводит к полному пробою изоляции.
Проблема состоит в том, чтобы обнаружить наличие частичного разряда во время производственных испытаний, чтобы предотвратить ухудшение характеристик устройств в полевых условиях.
Прочность высоковольтной изоляции оптронов Broadcom дополнительно повышается с помощью трех основных методов проектирования.
- между светодиодом и фотодиодом вставляется прозрачный полиимид, называемый каптоновой лентой.
- использование запатентованного недорогого экрана Фарадея, который отделяет входную сторону оптрона от выходной стороны. На Рисунке 1 показана конструкция изоляции оптронов Broadcom®.
- уникальный дизайн корпуса, который оптимизирован для минимизации входной-выходной емкости C In/out .
Важность трех методов проектирования описывается в этой инструкции по применению с сопутствующим испытанием на выбросы высокого напряжения в качестве доказательства.
В магнитном изоляторе используются две катушки, которые наложены друг на друга с разделительным полиимидным материалом примерно 0,02 мм между ними. Приложение переменного сигнала создает магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует электрическое поле во вторичной катушке. Поскольку передача осуществляется посредством связи по магнитному полю, магнитная пара также чувствительна к близким магнитным помехам.
На рис. 2 показан пример конструкции изоляции магнитного изолятора с одной парой верхней и нижней катушек с полиимидным изоляционным материалом между катушками. Чтобы удвоить прочность изоляции, для одного изолирующего пути используются два набора магнитных катушек, что обеспечивает толщину изоляции около 0,04 мм. Видом отказа изоляционного материала магнитного изолятора является деградация пространственного заряда.
Конструкция емкостного изолятора, как следует из названия, похожа на керамический конденсатор, в котором диэлектрик из диоксида кремния (SiO2 ) толщиной около 0,015 мм зажат между двумя металлическими пластинами, обычно алюминиевыми (Al), в непосредственной близости. Кристалл SiO2 выращивается поверх алюминиевой пластины.
Передача сигнала через емкостной изолирующий барьер обычно осуществляется посредством электрического сигнала переменного тока. Одним из факторов, который может повлиять на прочность изоляции емкостного изолятора, является то, насколько хорошо выращен кристалл SiO2 . Дефекты в кристалле ослабляют изоляционный материал. Тип отказа емкостного изолятора в течение срока службы - это пробой диэлектрика, зависящий от времени (TDDB).
Подобно магнитному изолятору, для удвоения прочности изоляции используются два набора конденсаторов для одного изолирующего пути, а толщина изоляции увеличивается вдвое, примерно до 0,03 мм. На рисунке 3 показана типичная конструкция с двойной изоляцией конденсатора.
Оптроны сертифицированы в соответствии с сертификатом безопасности компонентов IEC 60747-5-5 для усиленной изоляции. Эта международная сертификация признает частичный разряд как механизм разрушения изоляционного материала. Таким образом, сертификация распространяется только на оптроны.
Альтернативные технологии изоляции, такие как магнитная и емкостная, сертифицированы немецким стандартом VDE 0884-10 / 11. Хотя прочность изоляционного материала определяется испытанием на частичный разряд, он может не подходить для прогнозирования надежности на срок службы магнитных (разрушение пространственного заряда) и емкостных элементов (TDDB).
