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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)系統之間出現非預期的直接和瞬態(tài)電流，同時(shí)確�？梢哉_地傳輸信號和功率。例如，隔離器可以轉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(shí)最大限度減小故障影響范圍。對于此類(lèi)隔離產(chǎn)品，隔離屏障失效可能導致系統故障，并對操作人員的安全構成潛在威脅。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.電容隔離器的結構 圖1顯示了一個(gè)串聯(lián)電容隔離器的結構。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)現加強絕緣。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度等優(yōu)點(diǎn)。 根據電容隔離器的結構，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。當施加在隔離側的電壓超過(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。 在破壞性試驗中，在絕緣電壓VISO=13kVrms的條件下，依據UL1577對NSI1300D25樣片進(jìn)行了試驗。由于電氣過(guò)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(lèi)失效，建議選擇滿(mǎn)足系統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(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。 1.3. 失效模式2：隔離器一側高功率 第二種失效模式是隔離器一側發(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，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(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，導致電路遭受?chē)乐氐慕Y構損壞。如果隔離器中的異常高電壓和大電流持續一段時(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)度熱應力而受損，導致隔離電介質(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)獨立芯片上各串聯(lián)設置一個(gè)分離式電容器實(shí)現增強隔離。當發(fā)生第二種失效模式時(shí)，隔離電容器的一側可能受損，而另一側仍然完好，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(guò)VDD到GND電氣過(guò)應力(EOS)試驗后的NSI8131器件。左側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(mǎn)足UL1577標準規定的3kVrms的絕緣電壓要求。在此情況下，操作員的安全風(fēng)險仍然可以避免。 2. 應用示例 本節我們以典型電機驅動(dòng)系統為例，探討如何通過(guò)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所示的典型電機驅動(dòng)系統將交流電網(wǎng)轉換為電機驅動(dòng)輸出。該系統由整流電路、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(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)控制模塊MCU。為了滿(mǎn)足安全需求，人機界面(HMI)與高壓和功率電路之間必須設置絕緣屏障。電壓和電流感測芯片提供隔離信號，實(shí)現閉環(huán)控制和系統保護。隔離驅動(dòng)將脈寬調制(PWM)信號轉換為IGBT模塊的隔離驅動(dòng)信號。隔離屏障的設置旨在滿(mǎn)足功能要求、安全要求或兩者兼有。 IEC 61800-5-1標準規定了電機驅動(dòng)系統中隔離的安全要求。選擇隔離芯片用于滿(mǎn)足系統電壓、暫時(shí)過(guò)壓、沖擊電壓、工作電壓、間隙、爬電距離等要求，并預留足夠的裕量。裕量越大，隔離可靠性越高。 |
