纳芯微电子：电容隔离器件的隔离失效模式

发布时间：2024-08-19 14:08
作者：AMEYA360
来源：纳芯微
阅读量：547

　　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。

纳芯微电子：电容隔离器件的隔离失效模式

　　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。

纳芯微电子：电容隔离器件的隔离失效模式

　　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。

纳芯微电子：电容隔离器件的隔离失效模式

　　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。

纳芯微电子：电容隔离器件的隔离失效模式

　　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。

纳芯微电子：电容隔离器件的隔离失效模式

　　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。

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纳芯微电子：窄脉宽信号对驱动芯片的影响及解决方案
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　　01、窄脉宽的来源　　驱动芯片在各种电力电子系统中有着广泛的应用，例如整流器、DC-DC变换器、逆变器和变频器等，其工作频率和占空比范围在不同系统中各不相同。　　在常规整流器的PFC部分，根据输入电压的范围不同，其下管的占空比可以在0%到100%之间变化;　　在常见的DC-DC变换器中，开机时通常会有缓启功能，其输出脉宽会从零开始逐步增大;另外，当输出负载或输入电压发生瞬态跳变时，输出会出现瞬态变化，系统环路会根据输出电压的变化来调整驱动器的输入脉宽，在调整过程中，可能出现极大或极小的输出脉宽;　　在桥式逆变器中，当输出电压达到最大或最小峰值时，也可能出现极大和极小的输出脉宽。　　图1 正负向窄脉宽　　如果这些极大或极小脉宽没有得到有效限制，可能会影响驱动器的稳定工作;严重情况下甚至会导致驱动器或系统失效。　　02、正负窄脉宽对驱动芯片的影响　　下图2所示，是一种常见的MOSFET驱动电路，虚线框内为一个输出通道的结构示意图，其输出采用PMOS+NMOS结构。驱动器在控制功率管MOSFET M1开通和关断时，会对功率MOSFET M1的栅极拉出和灌入电流。在窄脉宽开通情况下，驱动器收到关断指令会将MOSFET M1关断，此时MOSFET M1的开通过程还没有完成，驱动器的输出仍然维持在较高的电流，当该电流突然变化，在PCB走线寄生电感和驱动器内部寄生电感的共同作用下，会在驱动器的输出引脚产生很大的电压应力，该应力可能导致芯片失效。　　为了分析和验证，将MOSFET的门极输入电容采用电容C1来代替，如下图3所示。　　考虑到PCB和芯片内部的寄生电感，其等效电路如下图4所示，其中L1、L4和L5为芯片内部寄生电感(Lbonding)，L2和L3为PCB上的寄生电感(LPCB)。　　➱下面将对不同脉宽下驱动器的应力产生和影响进行简要介绍。　　1)正向窄脉宽的状态分析　　t0~t1期间，驱动芯片内部的NMOS M3导通，PMOS M2关断，OUT输出为低，此时驱动回路中的Isrc和Isnk电流均为零;　　t1时刻，NMOS M3关断，PMOS M2导通，OUT输出拉高，给负载电容C1充电，Isnk电流为零;　　t2时刻，PMOS M2关断，NMOS M3导通，OUT输出被拉低，此时驱动电流Isrc不为零。该电流在芯片内部寄生电感和PCB走线寄生电感的共同作用下，对PMOS M2和NMOS M3的寄生输出电容进行充放电，从而导致OUT出现负向过冲电压。驱动器内部输出Pad的电压应力可以用如下公式(1)进行估算。　　其中各参数的定义如下：　　VGate: MOSFET的栅极电压　　Lbonding：IC内部的键合线产生的寄生电感，通常约为5nH　　LPCB：驱动器输出引脚到栅极PCB引线的寄生电感　　RG：MOSFET的栅极驱动电阻　　2)正常脉宽的状态分析　　t0~t1期间，驱动芯片内部NMOS M3导通，PMOS M2关断，OUT输出为低，驱动回路中Isrc和Isnk电流为零;　　t1时刻，NMOS M3关断后，PMOS M2导通，OUT输出拉高，负载电容C1充电，当电容C1充满电后，Isrc恢复到0，Isnk电流保持为零;　　t2时刻，PMOS M2关断后，NMOS M3开通，OUT输出被拉低，负载电容C1放电，当电容C1放电结束后，Isnk电流恢复到零;　　OUT输出转换过程中，lsrc或Isnk都是由零上升或下降到峰值，然后恢复到零，OUT输出没有明显的正向或负向过冲电压。　　3)负向窄脉宽的状态分析　　t0~t1期间，驱动芯片内部PMOS M2导通，NMOS M3关断，OUT输出为高，驱动回路中Isrc和Isnk电流为零;　　t1时刻，NMOS M3导通，OUT输出拉低，负载电容C1放电;　　t2时刻，NMOS M3关断，PMOS3开通，OUT输出被拉高，此时驱动回路中电流Isnk不为零，该电流在芯片内部的寄生电感和PCB走线的寄生电感的共同作用下，对PMOS M2和NMOS M3的寄生输出电容进行充放电，导致OUT输出出现显著的正向过冲电压。　　实际电路验证　　为了验证窄脉宽的影响，本实验选择了一款最大额定电压为20V的驱动芯片，并按照上图3所示的实验电路进行测试。　　实验中，芯片供电电压设置为15V，负载电容C1为27nF，输入信号频率为100kHz，脉冲宽度分别为20ns、2μs和9.98μs(对应20ns负向窄脉宽)。　　在相同脉宽下，通过调整驱动电阻R1的大小，来改变开通和关断时的驱动电流和电流变化率，得到实验结果如下所示，图中黄色线条表示输入信号，绿色线条表示输出信号。　　表2 实际电路验证结果　　如上结果所示，当驱动电阻为1Ω时，20ns的正向窄脉宽会导致-9V的负向过冲;同样，20ns的负向脉宽会导致27.4V的正向过冲，超过了芯片的额定值，会存在失效风险。正常脉宽下，OUT输出没有正负过冲现象。此外，还可以看出，在相同脉宽输入时，驱动电流越大，输出脚的正向或负向电压应力越高;因此减小驱动电流可以有效减小窄脉宽产生的正负过冲电压。　　03、解决方案和建议　　通过上面的分析和验证可以看出窄脉宽下过大的驱动电流会对输出应力产生严重影响。系统应用中为了避免驱动器输出应力超标，建议客户从以下几个方面进行优化和解决。　　PCB布局时尽量将驱动器与功率管就近放置，减小驱动器输出引脚到功率管门极之间的走线电感。　　驱动器的供电电容尽可能靠近芯片的电源引脚，且同层放置，减小因过孔和走线产生的寄生电感。　　在系统应用中，对最大和最小驱动输出脉宽进行限制，确保开通和关断前一刻驱动输出电流已降为零，避免输出出现过大的正向或负向过冲电压。　　适当调整驱动电阻，减小窄脉宽驱动回路中的电流和电流变化率。
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