【導讀】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準規范，一般會(huì )對其產(chǎn)品需要達到的使用條件提出各方面的要求。諸如電機驅動(dòng)、光伏、乘用汽車(chē)等都有各自的應用規范，而每個(gè)零部件也有相應的規范認證。前者屬于應用安全標準，而后者屬于產(chǎn)品安全標準。
為什么要遵循安規？
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準規范，一般會(huì )對其產(chǎn)品需要達到的使用條件提出各方面的要求。諸如電機驅動(dòng)、光伏、乘用汽車(chē)等都有各自的應用規范，而每個(gè)零部件也有相應的規范認證。前者屬于應用安全標準，而后者屬于產(chǎn)品安全標準。
對于電氣設備和電子元器件的應用而言，當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，嚴重的會(huì )導致傷殘甚至死亡。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致不同的電流。出于保護與其接觸的人員的生命安全考量，對于高于24V的電壓往往需要提供相應的絕緣保護。比如大家熟悉的國際標準IEC60664就對在海拔2000米以下，額定電壓1000 V以下的低壓系統內設備做出了各種的絕緣規則要求。
包括設備的電氣間隙、爬電距離，另外它還包括與絕緣配合有關(guān)的電氣測試方法。今天我們就聊聊驅動(dòng)芯片的絕緣安規標準，英飛凌的隔離型驅動(dòng)芯片已全面走入認證時(shí)代，新出的產(chǎn)品大都帶有各種標準認證，證書(shū)可在相關(guān)產(chǎn)品的網(wǎng)頁(yè)鏈接上下載到，或者也可以需求當地英飛凌產(chǎn)品技術(shù)支持的幫助。
功率半導體驅動(dòng)芯片的安規體系
從體系上看，常常會(huì )用到有UL、VDE和IEC標準。從下圖看三者的演變歷史可以發(fā)現， UL對于驅動(dòng)芯片的認證標準沒(méi)有什么變化，而針對光耦驅動(dòng)類(lèi)產(chǎn)品的認證IEC60747-5-5和VDE0884-5也無(wú)明顯變化。只有針對磁隔和容隔驅動(dòng)產(chǎn)品的認證標準在20年里有了較大升級，對產(chǎn)品的要求變得更嚴苛了。從原來(lái)的VDE0884-10更替成VDE0884-11，首次提出了驅動(dòng)器件壽命需滿(mǎn)足預測要求。在2020年IEC標準大會(huì )后，推出了同樣針對磁隔和容隔驅動(dòng)產(chǎn)品的IEC60744-17，它是以VDE0884-11為模板的，但在局放測試那塊略有不同，本文后面會(huì )提到。
其中UL的絕緣標準相對簡(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 E311313）下VISO為5700V的要求規范。一般出口美國的電子產(chǎn)品都需要有UL的認證。
VDE認證是德國電氣工程師協(xié)會(huì )的認證，是歐洲最有經(jīng)驗的也是在世界上享有很高聲譽(yù)的認證機構之一。而IEC標準就是國際電工委員會(huì )制定的標準。國際電工委員會(huì )(International Electro technical Commission，簡(jiǎn)稱(chēng)IEC)成立于1906年，是世界上成立最早的非政府性國際電工標準化機構，IEC標準的權威性是世界公認的。這兩個(gè)體系的標準對于絕緣有著(zhù)細致的等級描述，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，以避免觸電的危險。
● 附加絕緣：在基本絕緣以外，再附加的絕緣，目的是當基本絕緣失效時(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立的。
加強絕緣
等效于雙重絕緣的用于防觸電的單一防護措施。單一防護系統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。比如預防新冠病毒，帶一個(gè)醫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的口罩算加強絕緣。
而且我們常說(shuō)的器件符合加強絕緣要求是有一個(gè)電壓限定的，就是指在多少伏的電壓下器件滿(mǎn)足加強絕緣要求。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 最大額定可重復隔離電壓。比如對于1700V的IGBT器件，如果驅動(dòng)芯片符合加強絕緣的話(huà)VIORM >1700V。
● VIOSM: Maximum surge isolation voltage 浪涌隔離電壓 （在VDE0884-11標準里包含兩種測試工況，一個(gè)是在空氣中，一個(gè)是在油里）。對于特定VIOSM的驅動(dòng)芯片產(chǎn)品必須通過(guò)1.6倍的該值才能符合加強隔離的要求。
● VIOTM: Maximum rated transient isolation voltage 最大瞬態(tài)隔離電壓 （往往指不可重復出現的）。這個(gè)對于器件來(lái)說(shuō)的話(huà)還包含了驅動(dòng)芯片電氣間隙和內部綁定線(xiàn)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(xiàn)電壓以及使用工況下的過(guò)壓等級要求有關(guān)，可以參考下面這個(gè)表格。舉個(gè)例子，系統電壓是600V的話(huà)，要滿(mǎn)足過(guò)壓等級Ⅲ的基本絕緣的話(huà)，瞬態(tài)隔離電壓就是6000V；如果需要滿(mǎn)足過(guò)壓等級Ⅲ的加強絕緣的話(huà)，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(xiàn)電壓時(shí)，我們要看1000V的那橫欄，如果需要滿(mǎn)足等級Ⅱ的基本絕緣那么選VIOTM達到6000V的就可以，若要加強絕緣，則VIOTM得達到8000V；的；而如果需要滿(mǎn)足等級Ⅲ的基本絕緣要達到8000V，這時(shí)加強絕緣的話(huà)，VIOTM就需要達到12000V。英飛凌的驅動(dòng)芯片1ED3321的VIOTM就是8000V，所以在符合等級Ⅱ過(guò)壓的應用里，這顆器件滿(mǎn)足高達1000V的加強絕緣要求！
TDDB--隨時(shí)間變化的電介質(zhì)擊穿現象
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？我們怎么評估它呢？在上面我們有說(shuō)過(guò)，和之前的VDE0884-10不同，VDE0884-11標準里還增加了關(guān)于絕緣介質(zhì)壽命的測試模型。就是TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)測試。因為在實(shí)際使用，受絕緣材料、芯片本體尺寸及內部結構和長(cháng)期使用溫度等影響，器件能承受的電壓應力水平會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的增長(cháng)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?？v坐標是出現失效的運行時(shí)間，其中黑色的粗斜線(xiàn)代表故障率為1ppm限值，可以看出要符合1ppm的話(huà)，工作電壓越高，出現失效的時(shí)間越短。
在這個(gè)標準里用VIORM來(lái)作為壽命的評估點(diǎn)，如果是加強絕緣需要1.5倍的裕量系數且滿(mǎn)足30年的壽命，而基本絕緣系數是1.2和24年。比如一個(gè)驅動(dòng)芯片宣稱(chēng)符合VDE0884-11標準的VIORM為1700V加強絕緣，就是在2550V的VREF下對應30年的壽命。所以說(shuō)在實(shí)際使用中，如果您的系統可重復峰值電壓更高，隔離型驅動(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。在有些應用里，當隔離驅動(dòng)只要滿(mǎn)足功能隔離要求時(shí)，可以用在更高電壓，具體使用條件請與器件供應廠(chǎng)家咨詢(xún)情況。
以英飛凌的隔離驅動(dòng)芯片1ED3321為例，符合VDE0884-11標準的各個(gè)電壓參數如下表。其實(shí)英飛凌所有符合VDE0884-11的驅動(dòng)芯片產(chǎn)品通過(guò)的測試都是一樣的。
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。在高壓強場(chǎng)強下，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 )出現局部放電的情況，使得絕緣強度很快下降，這不是我們想要發(fā)生得事。而局放測試正是為了檢驗絕緣可靠性的重要手段之一。由于局部放電測量是非破壞的試驗，所以受到越來(lái)越多的青睞。根據VDE0884-11標準的要求，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試用以篩選合格的芯片。兩個(gè)測試被要求合在一起進(jìn)行如下圖所示，其中a是型式試驗，b和c都是例行實(shí)驗，兩者取一，英飛凌選用的是圖b測試方法對所有器件做絕緣保證。
還是以英飛凌的隔離驅動(dòng)芯片1ED3321為例，規格書(shū)里給出了局放測試電壓值如下
無(wú)論是相比以前的標準還是相比現行光耦驅動(dòng)產(chǎn)品標準IEC60747-5，VDE0884-11和相似的IEC60747-17都顯得更嚴苛，特別是相對更高要求的局放測試，有助于發(fā)現殘次品，以確保在出廠(chǎng)商用后的產(chǎn)品絕緣可靠。
結論
總而言之，需不需要絕緣，要基本絕緣還是加強絕緣，需要多少伏電壓的絕緣能力，都是和各應用領(lǐng)域的標準要求相關(guān)的。您也可以把需求告訴器件供應商，由他們幫助選擇合適的、符合一定標準的產(chǎn)品。
來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體，原創(chuàng )：鄭姿清、王丹
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
開(kāi)關(guān)電源的輸出端反灌電壓產(chǎn)生與防護
