AMEYA360：納芯微電子電容隔離器件的隔離失效模式

電容式隔離產(chǎn)品(如隔離器、隔離放大器、隔離電源產(chǎn)品等)是將輸出端與輸入端隔離的器件，能夠避免兩個(gè)系統(tǒng)之間出現(xiàn)非預(yù)期的直接和瞬態(tài)電流，同時(shí)確?？梢哉_地傳輸信號(hào)和功率。例如，隔離器可以轉(zhuǎn)換不同參考電平的信號(hào)，保護(hù)敏感控制模塊免受高電壓的影響，并在發(fā)生電氣故障時(shí)最大限度減小故障影響范圍。對(duì)于此類(lèi)隔離產(chǎn)品，隔離屏障失效可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障，并對(duì)操作人員的安全構(gòu)成潛在威脅。因此，我們將探討隔離失效模式的作用機(jī)制，以及容隔器件的推薦應(yīng)用方式以避免發(fā)生隔離失效。

1. 隔離失效模式的作用機(jī)制

1.1.電容隔離器的結(jié)構(gòu)

圖1顯示了一個(gè)串聯(lián)電容隔離器的結(jié)構(gòu)。其中，不同裸片上各配置一個(gè)串聯(lián)隔離電容器，同時(shí)厚度超過(guò)28μm的SiO2隔離介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)絕緣。與其他絕緣材料(如環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺等)相比，SiO2具有高可靠性和高介電強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)電容隔離器的結(jié)構(gòu)，本文探討了兩種可能的失效模式，幫助用戶(hù)了解隔離失效的原因。

1.2. 失效模式1：隔離屏障兩端過(guò)壓

第一種失效模式為隔離屏障兩端過(guò)壓，如圖2(a)所示。當(dāng)施加在隔離側(cè)的電壓超過(guò)隔離耐受電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生該種失效。圖2(b)為第一種隔離失效模式的圖片。

在破壞性試驗(yàn)中，在絕緣電壓VISO=13kVrms的條件下，依據(jù)UL1577對(duì)NSI1300D25樣片進(jìn)行了試驗(yàn)。由于電氣過(guò)應(yīng)力，隔離電容器被損壞并發(fā)生短路。為了避免發(fā)生此類(lèi)失效，建議選擇滿足系統(tǒng)電壓等級(jí)并具備足夠裕量的隔離產(chǎn)品。納芯微電容隔離產(chǎn)品具備業(yè)界領(lǐng)先的隔離性能。由于具備更高裕量，該類(lèi)產(chǎn)品能夠幫助用戶(hù)進(jìn)一步降低發(fā)生失效模式1的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3. 失效模式2：隔離器一側(cè)高功率

第二種失效模式是隔離器一側(cè)發(fā)生高功率，如圖3(a)所示。在安全限值(即工作條件的邊界范圍)內(nèi)，即使功能喪失，仍能保持絕緣性能。當(dāng)隔離器在超出安全限值的工況下工作時(shí)，會(huì)發(fā)生第二種失效模式，比如短路、過(guò)度靜電放電(ESD)和功率晶體管擊穿等，導(dǎo)致電路遭受?chē)?yán)重的結(jié)構(gòu)損壞。如果隔離器中的異常高電壓和大電流持續(xù)一段時(shí)間，與隔離電容器集成在同一芯片上的電路和元件會(huì)因過(guò)度熱應(yīng)力而受損，導(dǎo)致隔離電介質(zhì)損壞。

這種失效會(huì)影響受損芯片的隔離性能。在納芯微的電容隔離技術(shù)中，通過(guò)在兩個(gè)獨(dú)立芯片上各串聯(lián)設(shè)置一個(gè)分離式電容器實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)隔離。當(dāng)發(fā)生第二種失效模式時(shí)，隔離電容器的一側(cè)可能受損，而另一側(cè)仍然完好，負(fù)責(zé)提供基本隔離功能。

圖3(b)為第二種隔離失效模式的圖片。樣片為經(jīng)過(guò)VDD到GND電氣過(guò)應(yīng)力(EOS)試驗(yàn)后的NSI8131器件。左側(cè)芯片的隔離電容器受到了周?chē)軗p電路的影響。受損樣片仍能滿足UL1577標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3kVrms的絕緣電壓要求。在此情況下，操作員的安全風(fēng)險(xiǎn)仍然可以避免。

2. 應(yīng)用示例

本節(jié)我們以典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，探討如何通過(guò)選擇和應(yīng)用電容隔離器以避免發(fā)生上述兩種失效模式。

圖4所示的典型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出。該系統(tǒng)由整流電路、逆變電路以及主控微控制器(MCU)組成。用戶(hù)可以通過(guò)通信總線訪問(wèn)控制模塊MCU。為了滿足安全需求，人機(jī)界面(HMI)與高壓和功率電路之間必須設(shè)置絕緣屏障。電壓和電流感測(cè)芯片提供隔離信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和系統(tǒng)保護(hù)。隔離驅(qū)動(dòng)將脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)轉(zhuǎn)換為IGBT模塊的隔離驅(qū)動(dòng)信號(hào)。隔離屏障的設(shè)置旨在滿足功能要求、安全要求或兩者兼有。

IEC 61800-5-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中隔離的安全要求。選擇隔離芯片用于滿足系統(tǒng)電壓、暫時(shí)過(guò)壓、沖擊電壓、工作電壓、間隙、爬電距離等要求，并預(yù)留足夠的裕量。裕量越大，隔離可靠性越高。