电容隔离器件的隔离失效模式

时间： 2024-08-23 来源：纳芯微电子公众号

摘要

电容式隔离产品（如隔离器、隔离放大器、隔离电源产品等）是将输出端与输入端隔离的器件，能够避免两个系统之间出现非预期的直接和瞬态电流，同时确保可以正确地传输信号和功率。例如，隔离器可以转换不同参考电平的信号，保护敏感控制模块免受高电压的影响，并在发生电气故障时最大限度减小故障影响范围。对于此类隔离产品，隔离屏障失效可能导致系统故障，并对操作人员的安全构成潜在威胁。因此，我们将探讨隔离失效模式的作用机制，以及容隔器件的推荐应用方式以避免发生隔离失效。

1. 隔离失效模式的作用机制

1.1.电容隔离器的结构

图1显示了一个串联电容隔离器的结构。其中，不同裸片上各配置一个串联隔离电容器，同时厚度超过28μm的SiO2隔离介质可以实现加强绝缘。与其他绝缘材料（如环氧树脂、聚酰亚胺等）相比，SiO2具有高可靠性和高介电强度等优点。

图1. 串联隔离电容器的结构

根据电容隔离器的结构，本文探讨了两种可能的失效模式，帮助用户了解隔离失效的原因。

1.2. 失效模式1：隔离屏障两端过压

第一种失效模式为隔离屏障两端过压，如图2(a)所示。当施加在隔离侧的电压超过隔离耐受电压时，就会发生该种失效。图2(b)为第一种隔离失效模式的图片。

图 2(a). 隔离屏障两端过压

在破坏性试验中，在绝缘电压VISO=13kVrms的条件下，依据UL1577对NSI1300D25样片进行了试验。由于电气过应力，隔离电容器被损坏并发生短路。为了避免发生此类失效，建议选择满足系统电压等级并具备足够裕量的隔离产品。纳芯微电容隔离产品具备业界领先的隔离性能。由于具备更高裕量，该类产品能够帮助用户进一步降低发生失效模式1的风险。

图 2(b). 第一种隔离失效模式的图片

1.3. 失效模式2：隔离器一侧高功率

第二种失效模式是隔离器一侧发生高功率，如图3(a)所示。在安全限值（即工作条件的边界范围）内，即使功能丧失，仍能保持绝缘性能。当隔离器在超出安全限值的工况下工作时，会发生第二种失效模式，比如短路、过度静电放电（ESD）和功率晶体管击穿等，导致电路遭受严重的结构损坏。如果隔离器中的异常高电压和大电流持续一段时间，与隔离电容器集成在同一芯片上的电路和元件会因过度热应力而受损，导致隔离电介质损坏。

图 3(a). 电容器一侧发生高功率

这种失效会影响受损芯片的隔离性能。在纳芯微的电容隔离技术中，通过在两个独立芯片上各串联设置一个分离式电容器实现增强隔离。当发生第二种失效模式时，隔离电容器的一侧可能受损，而另一侧仍然完好，负责提供基本隔离功能。

图3(b)为第二种隔离失效模式的图片。样片为经过VDD到GND电气过应力（EOS）试验后的NSI8131器件。左侧芯片的隔离电容器受到了周围受损电路的影响。受损样片仍能满足UL1577标准规定的3kVrms的绝缘电压要求。在此情况下，操作员的安全风险仍然可以避免。

图 3(b). 第二种失效模式的图片

2. 应用示例

本节我们以典型电机驱动系统为例，探讨如何通过选择和应用电容隔离器以避免发生上述两种失效模式。

图4所示的典型电机驱动系统将交流电网转换为电机驱动输出。该系统由整流电路、逆变电路以及主控微控制器（MCU）组成。用户可以通过通信总线访问控制模块MCU。为了满足安全需求，人机界面（HMI）与高压和功率电路之间必须设置绝缘屏障。电压和电流感测芯片提供隔离信号，实现闭环控制和系统保护。隔离驱动将脉宽调制（PWM）信号转换为IGBT模块的隔离驱动信号。隔离屏障的设置旨在满足功能要求、安全要求或两者兼有。

IEC 61800-5-1标准规定了电机驱动系统中隔离的安全要求。选择隔离芯片用于满足系统电压、暂时过压、冲击电压、工作电压、间隙、爬电距离等要求，并预留足够的裕量。裕量越大，隔离可靠性越高。

图 4. 电机驱动系统中典型应用电路

通过选择和应用合适的隔离器，可以有效避免第一种失效模式，即隔离屏障两端过电压。纳芯微隔离器针对第一种失效模式提供了更大裕量，这意味着更高的隔离可靠性。为了避免第二种失效模式，即隔离器一侧的高功率，可以通过采用限流措施，比如在隔离器的电源引脚和IO引脚串联电阻，限制异常情形下的功率，保证隔离器在安全限值范围内工作。一旦发生第二种故障模式，隔离器的一侧发生短路，而另一侧的隔离性能仍然保持不变。隔离器维持基本隔离功能，并且人机界面与高功率电机驱动系统仍然保持隔离状态。

3.结论

本文介绍了电容隔离器两种失效模式的作用机制，以便用户了解造成隔离失效的原因。第一种失效模式，即隔离屏障两端过电压，可以通过选择和应用适当的隔离器避免，预留足够裕量以满足隔离规范的要求。第二种故障模式可能因高功率超出隔离器一侧的安全限值而发生。在这种情况下，隔离器保持基本隔离功能，仍可避免对操作员造成安全风险。

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