【導(dǎo)讀】眾所周知，各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域都有其需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，一般會(huì)對(duì)其產(chǎn)品需要達(dá)到的使用條件提出各方面的要求。諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏、乘用汽車等都有各自的應(yīng)用規(guī)范，而每個(gè)零部件也有相應(yīng)的規(guī)范認(rèn)證。前者屬于應(yīng)用安全標(biāo)準(zhǔn)，而后者屬于產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)。
為什么要遵循安規(guī)？
眾所周知，各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域都有其需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，一般會(huì)對(duì)其產(chǎn)品需要達(dá)到的使用條件提出各方面的要求。諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光伏、乘用汽車等都有各自的應(yīng)用規(guī)范，而每個(gè)零部件也有相應(yīng)的規(guī)范認(rèn)證。前者屬于應(yīng)用安全標(biāo)準(zhǔn)，而后者屬于產(chǎn)品安全標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于電氣設(shè)備和電子元器件的應(yīng)用而言，當(dāng)人體觸及帶電物體會(huì)產(chǎn)生電流流經(jīng)身體，這就是觸電。至于觸電造成的傷害有多大和產(chǎn)生的電流大小以及承受時(shí)間都有關(guān)系，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致傷殘甚至死亡。即使是相同的電壓，人體的等效電阻也會(huì)受濕度、鞋襪或者環(huán)境粉塵含量等因素影響導(dǎo)致不同的電流。出于保護(hù)與其接觸的人員的生命安全考量，對(duì)于高于24V的電壓往往需要提供相應(yīng)的絕緣保護(hù)。比如大家熟悉的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60664就對(duì)在海拔2000米以下，額定電壓1000 V以下的低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備做出了各種的絕緣規(guī)則要求。
包括設(shè)備的電氣間隙、爬電距離，另外它還包括與絕緣配合有關(guān)的電氣測(cè)試方法。今天我們就聊聊驅(qū)動(dòng)芯片的絕緣安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，英飛凌的隔離型驅(qū)動(dòng)芯片已全面走入認(rèn)證時(shí)代，新出的產(chǎn)品大都帶有各種標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，證書可在相關(guān)產(chǎn)品的網(wǎng)頁(yè)鏈接上下載到，或者也可以需求當(dāng)?shù)赜w凌產(chǎn)品技術(shù)支持的幫助。
功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)芯片的安規(guī)體系
從體系上看，常常會(huì)用到有UL、VDE和IEC標(biāo)準(zhǔn)。從下圖看三者的演變歷史可以發(fā)現(xiàn)， UL對(duì)于驅(qū)動(dòng)芯片的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)沒有什么變化，而針對(duì)光耦驅(qū)動(dòng)類產(chǎn)品的認(rèn)證IEC60747-5-5和VDE0884-5也無明顯變化。只有針對(duì)磁隔和容隔驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)在20年里有了較大升級(jí)，對(duì)產(chǎn)品的要求變得更嚴(yán)苛了。從原來的VDE0884-10更替成VDE0884-11，首次提出了驅(qū)動(dòng)器件壽命需滿足預(yù)測(cè)要求。在2020年IEC標(biāo)準(zhǔn)大會(huì)后，推出了同樣針對(duì)磁隔和容隔驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的IEC60744-17，它是以VDE0884-11為模板的，但在局放測(cè)試那塊略有不同，本文后面會(huì)提到。
其中UL的絕緣標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)簡(jiǎn)單，一般會(huì)給出1分鐘和1秒鐘的條件下需要承受的電壓值。比如英飛凌1ED3321產(chǎn)品，符合UL1577（文件號(hào) E311313）下VISO為5700V的要求規(guī)范。一般出口美國(guó)的電子產(chǎn)品都需要有UL的認(rèn)證。
VDE認(rèn)證是德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)的認(rèn)證，是歐洲最有經(jīng)驗(yàn)的也是在世界上享有很高聲譽(yù)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)之一。而IEC標(biāo)準(zhǔn)就是國(guó)際電工委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際電工委員會(huì)(International Electro technical Commission，簡(jiǎn)稱IEC)成立于1906年，是世界上成立最早的非政府性國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，IEC標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)威性是世界公認(rèn)的。這兩個(gè)體系的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于絕緣有著細(xì)致的等級(jí)描述，有必要在這里稍微解釋一下各種絕緣名詞。
基本絕緣
基本絕緣的目的在于為防電擊提供一個(gè)基本的保護(hù)，以避免觸電的危險(xiǎn)。
● 附加絕緣：在基本絕緣以外，再附加的絕緣，目的是當(dāng)基本絕緣失效時(shí)，提供另一層的絕緣功能。
● 雙重絕緣：雙重絕緣是由基本絕緣和附加絕緣組成的防觸電措施，其中基本絕緣和附加絕緣是相互獨(dú)立的。
加強(qiáng)絕緣
等效于雙重絕緣的用于防觸電的單一防護(hù)措施。單一防護(hù)系統(tǒng)可以是一種絕緣材料，也可以是由幾層（幾種）緊密連接的單質(zhì)絕緣體組成。但和雙重絕緣不同之處在于，其不易被劃分為基本絕緣和附加絕緣兩部分，它可能是個(gè)一體成形的隔離物。
舉一個(gè)簡(jiǎn)單形象的例子。比如預(yù)防新冠病毒，帶一個(gè)醫(yī)用口罩就是基本絕緣，帶兩個(gè)就是雙重絕緣，其中第二個(gè)口罩算是附加絕緣，那么也可以直接帶N95的口罩算加強(qiáng)絕緣。
而且我們常說的器件符合加強(qiáng)絕緣要求是有一個(gè)電壓限定的，就是指在多少伏的電壓下器件滿足加強(qiáng)絕緣要求。用到的電壓概念有VIORM、 VIOSM和VIOTM，定義分別如下：
● VIORM: Maximum rated repetitive peak isolation voltage 最大額定可重復(fù)隔離電壓。比如對(duì)于1700V的IGBT器件，如果驅(qū)動(dòng)芯片符合加強(qiáng)絕緣的話VIORM >1700V。
● VIOSM: Maximum surge isolation voltage 浪涌隔離電壓 （在VDE0884-11標(biāo)準(zhǔn)里包含兩種測(cè)試工況，一個(gè)是在空氣中，一個(gè)是在油里）。對(duì)于特定VIOSM的驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品必須通過1.6倍的該值才能符合加強(qiáng)隔離的要求。
● VIOTM: Maximum rated transient isolation voltage 最大瞬態(tài)隔離電壓 （往往指不可重復(fù)出現(xiàn)的）。這個(gè)對(duì)于器件來說的話還包含了驅(qū)動(dòng)芯片電氣間隙和內(nèi)部綁定線的絕緣考量。一般實(shí)際使用的時(shí)候到底需要多大的瞬態(tài)隔離電壓，和工作的母線電壓以及使用工況下的過壓等級(jí)要求有關(guān)，可以參考下面這個(gè)表格。舉個(gè)例子，系統(tǒng)電壓是600V的話，要滿足過壓等級(jí)Ⅲ的基本絕緣的話，瞬態(tài)隔離電壓就是6000V；如果需要滿足過壓等級(jí)Ⅲ的加強(qiáng)絕緣的話，只要選更高一檔就行，往下走往右走都可以，也就是8000V，要注意的一點(diǎn)是不允許插值，可以就高。比如碳化硅MOS使用在800V的母線電壓時(shí)，我們要看1000V的那橫欄，如果需要滿足等級(jí)Ⅱ的基本絕緣那么選VIOTM達(dá)到6000V的就可以，若要加強(qiáng)絕緣，則VIOTM得達(dá)到8000V；的；而如果需要滿足等級(jí)Ⅲ的基本絕緣要達(dá)到8000V，這時(shí)加強(qiáng)絕緣的話，VIOTM就需要達(dá)到12000V。英飛凌的驅(qū)動(dòng)芯片1ED3321的VIOTM就是8000V，所以在符合等級(jí)Ⅱ過壓的應(yīng)用里，這顆器件滿足高達(dá)1000V的加強(qiáng)絕緣要求！
TDDB--隨時(shí)間變化的電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象
那么這個(gè)事關(guān)人身安全的隔離電壓，用久了會(huì)不會(huì)下降？我們?cè)趺丛u(píng)估它呢？在上面我們有說過，和之前的VDE0884-10不同，VDE0884-11標(biāo)準(zhǔn)里還增加了關(guān)于絕緣介質(zhì)壽命的測(cè)試模型。就是TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)測(cè)試。因?yàn)樵趯?shí)際使用，受絕緣材料、芯片本體尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)期使用溫度等影響，器件能承受的電壓應(yīng)力水平會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)有所降額。下圖就是最大工作電壓（也就是上面提到的VIORM）和使用時(shí)間的關(guān)系圖。縱坐標(biāo)是出現(xiàn)失效的運(yùn)行時(shí)間，其中黑色的粗斜線代表故障率為1ppm限值，可以看出要符合1ppm的話，工作電壓越高，出現(xiàn)失效的時(shí)間越短。
在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里用VIORM來作為壽命的評(píng)估點(diǎn)，如果是加強(qiáng)絕緣需要1.5倍的裕量系數(shù)且滿足30年的壽命，而基本絕緣系數(shù)是1.2和24年。比如一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片宣稱符合VDE0884-11標(biāo)準(zhǔn)的VIORM為1700V加強(qiáng)絕緣，就是在2550V的VREF下對(duì)應(yīng)30年的壽命。所以說在實(shí)際使用中，如果您的系統(tǒng)可重復(fù)峰值電壓更高，隔離型驅(qū)動(dòng)芯片依然能提供一定的絕緣，只是使用壽命上會(huì)有影響。在有些應(yīng)用里，當(dāng)隔離驅(qū)動(dòng)只要滿足功能隔離要求時(shí)，可以用在更高電壓，具體使用條件請(qǐng)與器件供應(yīng)廠家咨詢情況。
以英飛凌的隔離驅(qū)動(dòng)芯片1ED3321為例，符合VDE0884-11標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)電壓參數(shù)如下表。其實(shí)英飛凌所有符合VDE0884-11的驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品通過的測(cè)試都是一樣的。
局部放電
另外，單純看能打多少絕緣電壓也是不夠的。在高壓應(yīng)用場(chǎng)合，局部放電是發(fā)生絕緣擊穿的重要原因。在高壓強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)下，如果絕緣介質(zhì)不好比如有些許空氣間隙，那么在這些薄弱點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)局部放電的情況，使得絕緣強(qiáng)度很快下降，這不是我們想要發(fā)生得事。而局放測(cè)試正是為了檢驗(yàn)絕緣可靠性的重要手段之一。由于局部放電測(cè)量是非破壞的試驗(yàn)，所以受到越來越多的青睞。根據(jù)VDE0884-11標(biāo)準(zhǔn)的要求，凡是需要符合各絕緣要求的器件都會(huì)進(jìn)行相關(guān)的絕緣電壓和局放測(cè)試用以篩選合格的芯片。兩個(gè)測(cè)試被要求合在一起進(jìn)行如下圖所示，其中a是型式試驗(yàn)，b和c都是例行實(shí)驗(yàn)，兩者取一，英飛凌選用的是圖b測(cè)試方法對(duì)所有器件做絕緣保證。
還是以英飛凌的隔離驅(qū)動(dòng)芯片1ED3321為例，規(guī)格書里給出了局放測(cè)試電壓值如下
無論是相比以前的標(biāo)準(zhǔn)還是相比現(xiàn)行光耦驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)IEC60747-5，VDE0884-11和相似的IEC60747-17都顯得更嚴(yán)苛，特別是相對(duì)更高要求的局放測(cè)試，有助于發(fā)現(xiàn)殘次品，以確保在出廠商用后的產(chǎn)品絕緣可靠。
結(jié)論
總而言之，需不需要絕緣，要基本絕緣還是加強(qiáng)絕緣，需要多少伏電壓的絕緣能力，都是和各應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)要求相關(guān)的。您也可以把需求告訴器件供應(yīng)商，由他們幫助選擇合適的、符合一定標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，原創(chuàng)：鄭姿清、王丹
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