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2024/03/07
在电气系统的设计中，电气隔离是一个至关重要的概念。通过隔离高、低压系统，可以实现以下几点重要功能：
① 使高、低压系统间相互独立，提高低压系统的抗干扰能力；
② 保证高、低压系统间的安全交互，使系统安全工作；
③ 保护使用者的人身安全，免受高压系统的电击伤害。
本期技术视频将详细介绍电气隔离的基本知识，包括电气隔离的定义与重要性，隔离等级的分类与定义，以及隔离器认证的标准与规范。 (戳这里，观看视频）
电气隔离的定义和重要性
电气隔离通过使用隔离器件以防止具有破坏性的电气信号在高/低压子系统间传输，同时允许安全的、系统正常运行所需的电气信号在高/低压系统间进行交互的过程方式。以下讨论三种系统交互的场景：
1. 当两个低压系统进行交互时，电气信号可以在两个系统间自由传输。在这种状态下，通常我们认为系统的工作是安全的。
2. 当高/低压系统不使用隔离器直接进行交互时，由于高压系统和低压系统间存在较高的电势差，此时高压系统就有可能向低压系统传输具有破坏性的电气信号，会使低压系统的工作状态出现异常，甚至导致其永久性损坏，不仅会影响系统的功能安全，还可能会危及人身安全，导致重大的安全事故等。
3. 在高、低压系统间使用隔离器进行电气隔离后，具有破坏性的电气信号被隔离器阻断，安全的、系统正常运行所需的电气信号在高/低压系统间交互，系统的功能安全得以保证。
电气隔离的定义
隔离等级的分类与定义
根据隔离性能的差异，电气隔离被分为不同的隔离等级，功能隔离、基本隔离、双重隔离、增强隔离是几种比较典型的隔离等级：
1.功能隔离，只能实现设备正常工作所必须的隔离，没有电击保护的功能，如电路板上的PCB材料。
2.基本隔离，只提供单级隔离，能够在绝缘层完好的情况下实现隔离。但一旦绝缘层失效，系统将存在电击的风险。一般情况下，基础型隔离器能够隔离的电压在3kV左右，也有少数的基础型隔离器的隔离电压可以达到5kV。
3.双重隔离，在基本隔离的基础上增加了一层隔离，从而实现系统的冗余，它能够在单级隔离失效时保证系统的安全。通过这种方式，隔离电压可以达到5kV及以上。
4.增强隔离，也是一种单级隔离，但可以做到与双重隔离等效的隔离强度。
隔离等级的分类与定义
隔离器认证的标准规范
目前，常见的隔离器大多采用基本隔离和增强隔离的方式。为了取得上述两种隔离的认证，隔离器的性能需要符合地区规范及安全标准。
在隔离器的标准与认证方面，国际电工委员会（IEC）是世界上成立最早的非政府性国际电工标准化机构。IEC与多个地区的机构合作，为电气/电子设备制定国际安全标准。不同的地区会有不同的机构制定地区标准，如美国、加拿大、德国、中国等地都有属于自己的本土机构。
只有通过了当地的地区标准，隔离器才能够合法地进行商业推广，搭载了该隔离器的电气/电子产品也才能销售给终端客户。通常，在隔离器数据手册的第一页会列出该隔离器通过了哪些地区的认证。其中，数字隔离器的增强隔离等级主要是由VDE提出并由IEC作为全球标准进行推广。纳芯微是数字隔离器产品的领跑者，也是国内首家通过VDE增强型隔离认证的半导体公司。
隔离器的标准与认证机构
在VDE的现行标准下，基本型和增强型隔离器都有相应的测试标准和参数规范。
在最大浪涌电压测试中，基本型和增强型都需要通过50次的双极性浪涌冲击，最终测得的电压不得超过数据表中最大浪涌电压的1.3倍，在此基础上，增强型还需要至少要通过10kV的浪涌电压测试。
在实际应用中，当设备内部存在缺陷时，就会出现局部放电现象。局部放电现象是指导体间绝缘的部分区域被击穿的电气放电现象，在短时间内它并不影响绝缘强度，但在高压的反复作用下，缺陷最终会导致器件被击穿。因此，需要通过非破坏性实验检测出这些缺陷，基本型隔离器需通过1.5倍的VIOSM浪涌测试，而增强型隔离器的局部放电测试则需在1.875倍VIOSM电压下进行测试。
根据不同温度，不同电压下的芯片工作寿命，利用韦伯分布即可拟合出芯片在最小额定寿命及目标寿命期间故障率下的工作电压，然后根据VDE相关系数的要求，即可得出VIORM、VIOSM。从表格中还可以了解到，增强型隔离器有更长的工作寿命，且寿命期间的故障率更低。
通过了上述测试后，即认为隔离器达到了VDE认证的要求。
基本型和增强型隔离器的标准与认证
综上所述，电气隔离涉及到设备的安全工作和使用者的人身安全，是电气系统设计中不可或缺的一部分。
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