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，能夠避免兩個系統(tǒng)之間出現(xiàn)非預期的直接和瞬態(tài)電流，同時確?？梢哉_地傳輸信號和功率。例如，隔離器可以轉(zhuǎn)換不同參考電平的信號，保護敏感控制模塊免受高電壓的影響，并在發(fā)生電氣故障時最大限度減小故障影響范圍。對于此類隔離產(chǎn)品，隔離屏障失效可能導致系統(tǒng)故障，并對操作人員的安全構(gòu)成潛在威脅。因此，我們將探討隔離失效模式的作用機制，以及容隔器件的推薦應用方式以避免發(fā)生隔離失效。

1. 隔離失效模式的作用機制

1.1.電容隔離器的結(jié)構(gòu)

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

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，幫助用戶了解隔離失效的原因。

1.2. 失效模式1：隔離屏障兩端過壓

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

在破壞性試驗中，在絕緣電壓VISO=13kVrms的條件下，依據(jù)UL1577對NSI1300D25樣片進行了試驗。由于電氣過應力，隔離電容器被損壞并發(fā)生短路。為了避免發(fā)生此類失效，建議選擇滿足系統(tǒng)電壓等級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，該類產(chǎn)品能夠幫助用戶進一步降低發(fā)生失效模式1的風險。

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。當隔離器在超出安全限值的工況下工作時，會發(fā)生第二種失效模式，比如短路、過度靜電放電(ESD)和功率晶體管擊穿等，導致電路遭受嚴重的結(jié)構(gòu)損壞。如果隔離器中的異常高電壓和大電流持續(xù)一段時間，與隔離電容器集成在同一芯片上的電路和元件會因過度熱應力而受損，導致隔離電介質(zhì)損壞。

這種失效會影響受損芯片的隔離性能。在納芯微的電容隔離技術(shù)中，通過在兩個獨立芯片上各串聯(lián)設(shè)置一個分離式電容器實現(xiàn)增強隔離。當發(fā)生第二種失效模式時，隔離電容器的一側(cè)可能受損，而另一側(cè)仍然完好，負責提供基本隔離功能。

圖3(b)為第二種隔離失效模式的圖片。樣片為經(jīng)過VDD到GND電氣過應力(EOS)試驗后的NSI8131器件。左側(cè)芯片的隔離電容器受到了周圍受損電路的影響。受損樣片仍能滿足UL1577標準規(guī)定的3kVrms的絕緣電壓要求。在此情況下，操作員的安全風險仍然可以避免。

2. 應用示例

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

圖4所示的典型電機驅(qū)動系統(tǒng)將交流電網(wǎng)轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動輸出。該系統(tǒng)由整流電路、逆變電路以及主控微控制器(MCU)組成。用戶可以通過通信總線訪問控制模塊MCU。為了滿足安全需求，人機界面(HMI)與高壓和功率電路之間必須設(shè)置絕緣屏障。電壓和電流感測芯片提供隔離信號，實現(xiàn)閉環(huán)控制和系統(tǒng)保護。隔離驅(qū)動將脈寬調(diào)制(PWM)信號轉(zhuǎn)換為IGBT模塊的隔離驅(qū)動信號。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標準規(guī)定了電機驅(qū)動系統(tǒng)中隔離的安全要求。選擇隔離芯片用于滿足系統(tǒng)電壓、暫時過壓、沖擊電壓、工作電壓、間隙、爬電距離等要求，并預留足夠的裕量。裕量越大，隔離可靠性越高。

審核編輯 黃宇