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浅谈驱动芯片的绝缘安规标准

众所周知,各个行业各个领域都有其需要遵循的标准规范,一般会对其产品需要达到的使用条件提出各方面的要求。诸如电机驱动、光伏、乘用汽车等都有各自的应用规范,而每个零部件也有相应的规范认证。前者属于应用安全标准,而后者属于产品安全标准。

为什么要遵循安规?

众所周知,各个行业各个领域都有其需要遵循的标准规范,一般会对其产品需要达到的使用条件提出各方面的要求。诸如电机驱动、光伏、乘用汽车等都有各自的应用规范,而每个零部件也有相应的规范认证。前者属于应用安全标准,而后者属于产品安全标准。

对于电气设备和电子元器件的应用而言,当人体触及带电物体会产生电流流经身体,这就是触电。至于触电造成的伤害有多大和产生的电流大小以及承受时间都有关系,严重的会导致伤残甚至死亡。即使是相同的电压,人体的等效电阻也会受湿度、鞋袜或者环境粉尘含量等因素影响导致不同的电流。出于保护与其接触的人员的生命安全考量,对于高于24V的电压往往需要提供相应的绝缘保护。比如大家熟悉的国际标准IEC60664就对在海拔2000米以下,额定电压1000 V以下的低压系统内设备做出了各种的绝缘规则要求。

包括设备的电气间隙、爬电距离,另外它还包括与绝缘配合有关的电气测试方法。今天我们就聊聊驱动芯片的绝缘安规标准,英飞凌的隔离型驱动芯片已全面走入认证时代,新出的产品大都带有各种标准认证,证书可在相关产品的网页链接上下载到,或者也可以需求当地英飞凌产品技术支持的帮助。

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功率半导体驱动芯片的安规体系

从体系上看,常常会用到有UL、VDE和IEC标准。从下图看三者的演变历史可以发现, UL对于驱动芯片的认证标准没有什么变化,而针对光耦驱动类产品的认证IEC60747-5-5和VDE0884-5也无明显变化。只有针对磁隔和容隔驱动产品的认证标准在20年里有了较大升级,对产品的要求变得更严苛了。从原来的VDE0884-10更替成VDE0884-11,首次提出了驱动器件寿命需满足预测要求。在2020年IEC标准大会后,推出了同样针对磁隔和容隔驱动产品的IEC60744-17,它是以VDE0884-11为模板的,但在局放测试那块略有不同,本文后面会提到。

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其中UL的绝缘标准相对简单,一般会给出1分钟和1秒钟的条件下需要承受的电压值。比如英飞凌1ED3321产品,符合UL1577(文件号 E311313)下VISO为5700V的要求规范。一般出口美国的电子产品都需要有UL的认证。

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VDE认证是德国电气工程师协会的认证,是欧洲最有经验的也是在世界上享有很高声誉的认证机构之一。而IEC标准就是国际电工委员会制定的标准。国际电工委员会(International Electro technical Commission,简称IEC)成立于1906年,是世界上成立最早的非政府性国际电工标准化机构,IEC标准的权威性是世界公认的。这两个体系的标准对于绝缘有着细致的等级描述,有必要在这里稍微解释一下各种绝缘名词。

基本绝缘

基本绝缘的目的在于为防电击提供一个基本的保护,以避免触电的危险。

● 附加绝缘:在基本绝缘以外,再附加的绝缘,目的是当基本绝缘失效时,提供另一层的绝缘功能。

● 双重绝缘:双重绝缘是由基本绝缘和附加绝缘组成的防触电措施,其中基本绝缘和附加绝缘是相互独立的。

加强绝缘

等效于双重绝缘的用于防触电的单一防护措施。单一防护系统可以是一种绝缘材料,也可以是由几层(几种)紧密连接的单质绝缘体组成。但和双重绝缘不同之处在于,其不易被划分为基本绝缘和附加绝缘两部分,它可能是个一体成形的隔离物。

举一个简单形象的例子。比如预防新冠病毒,带一个医用口罩就是基本绝缘,带两个就是双重绝缘,其中第二个口罩算是附加绝缘,那么也可以直接带N95的口罩算加强绝缘。

而且我们常说的器件符合加强绝缘要求是有一个电压限定的,就是指在多少伏的电压下器件满足加强绝缘要求。用到的电压概念有VIORM、 VIOSM和VIOTM,定义分别如下:

● VIORM: Maximum rated repetitive peak isolation voltage 最大额定可重复隔离电压。比如对于1700V的IGBT器件,如果驱动芯片符合加强绝缘的话VIORM >1700V。

● VIOSM: Maximum surge isolation voltage 浪涌隔离电压 (在VDE0884-11标准里包含两种测试工况,一个是在空气中,一个是在油里)。对于特定VIOSM的驱动芯片产品必须通过1.6倍的该值才能符合加强隔离的要求。

● VIOTM: Maximum rated transient isolation voltage 最大瞬态隔离电压 (往往指不可重复出现的)。这个对于器件来说的话还包含了驱动芯片电气间隙和内部绑定线的绝缘考量。一般实际使用的时候到底需要多大的瞬态隔离电压,和工作的母线电压以及使用工况下的过压等级要求有关,可以参考下面这个表格。举个例子,系统电压是600V的话,要满足过压等级Ⅲ的基本绝缘的话,瞬态隔离电压就是6000V;如果需要满足过压等级Ⅲ的加强绝缘的话,只要选更高一档就行,往下走往右走都可以,也就是8000V,要注意的一点是不允许插值,可以就高。比如碳化硅MOS使用在800V的母线电压时,我们要看1000V的那横栏,如果需要满足等级Ⅱ的基本绝缘那么选VIOTM达到6000V的就可以,若要加强绝缘,则VIOTM得达到8000V;的;而如果需要满足等级Ⅲ的基本绝缘要达到8000V,这时加强绝缘的话,VIOTM就需要达到12000V。英飞凌的驱动芯片1ED3321的VIOTM就是8000V,所以在符合等级Ⅱ过压的应用里,这颗器件满足高达1000V的加强绝缘要求!

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TDDB--随时间变化的电介质击穿现象

那么这个事关人身安全的隔离电压,用久了会不会下降?我们怎么评估它呢?在上面我们有说过,和之前的VDE0884-10不同,VDE0884-11标准里还增加了关于绝缘介质寿命的测试模型。就是TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)测试。因为在实际使用,受绝缘材料、芯片本体尺寸及内部结构和长期使用温度等影响,器件能承受的电压应力水平会随着时间的增长有所降额。下图就是最大工作电压(也就是上面提到的VIORM)和使用时间的关系图。纵坐标是出现失效的运行时间,其中黑色的粗斜线代表故障率为1ppm限值,可以看出要符合1ppm的话,工作电压越高,出现失效的时间越短。

在这个标准里用VIORM来作为寿命的评估点,如果是加强绝缘需要1.5倍的裕量系数且满足30年的寿命,而基本绝缘系数是1.2和24年。比如一个驱动芯片宣称符合VDE0884-11标准的VIORM为1700V加强绝缘,就是在2550V的VREF下对应30年的寿命。所以说在实际使用中,如果您的系统可重复峰值电压更高,隔离型驱动芯片依然能提供一定的绝缘,只是使用寿命上会有影响。在有些应用里,当隔离驱动只要满足功能隔离要求时,可以用在更高电压,具体使用条件请与器件供应厂家咨询情况。

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以英飞凌的隔离驱动芯片1ED3321为例,符合VDE0884-11标准的各个电压参数如下表。其实英飞凌所有符合VDE0884-11的驱动芯片产品通过的测试都是一样的。

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局部放电

另外,单纯看能打多少绝缘电压也是不够的。在高压应用场合,局部放电是发生绝缘击穿的重要原因。在高压强场强下,如果绝缘介质不好比如有些许空气间隙,那么在这些薄弱点会出现局部放电的情况,使得绝缘强度很快下降,这不是我们想要发生得事。而局放测试正是为了检验绝缘可靠性的重要手段之一。由于局部放电测量是非破坏的试验,所以受到越来越多的青睐。根据VDE0884-11标准的要求,凡是需要符合各绝缘要求的器件都会进行相关的绝缘电压和局放测试用以筛选合格的芯片。两个测试被要求合在一起进行如下图所示,其中a是型式试验,b和c都是例行实验,两者取一,英飞凌选用的是图b测试方法对所有器件做绝缘保证。

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还是以英飞凌的隔离驱动芯片1ED3321为例,规格书里给出了局放测试电压值如下

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无论是相比以前的标准还是相比现行光耦驱动产品标准IEC60747-5,VDE0884-11和相似的IEC60747-17都显得更严苛,特别是相对更高要求的局放测试,有助于发现残次品,以确保在出厂商用后的产品绝缘可靠。

结论

总而言之,需不需要绝缘,要基本绝缘还是加强绝缘,需要多少伏电压的绝缘能力,都是和各应用领域的标准要求相关的。您也可以把需求告诉器件供应商,由他们帮助选择合适的、符合一定标准的产品。

来源:英飞凌工业半导体,原创:郑姿清、王丹



THE END
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