【導讀】眾所周知，各個行業(yè)各個領域都有其需要遵循的標準規(guī)范，一般會對其產(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、光伏、乘用汽車等都有各自的應用規(guī)范，而每個零部件也有相應的規(guī)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(guī)？
眾所周知，各個行業(yè)各個領域都有其需要遵循的標準規(guī)范，一般會對其產(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、光伏、乘用汽車等都有各自的應用規(guī)范，而每個零部件也有相應的規(guī)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間都有關系，嚴重的會導致傷殘甚至死亡。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(tǒng)內(nèi)設備做出了各種的絕緣規(guī)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的電氣測試方法。今天我們就聊聊驅動芯片的絕緣安規(guī)標準，英飛凌的隔離型驅動芯片已全面走入認證時代，新出的產(chǎn)品大都帶有各種標準認證，證書可在相關產(chǎn)品的網(wǎng)頁鏈接上下載到，或者也可以需求當?shù)赜w凌產(chǎn)品技術支持的幫助。
功率半導體驅動芯片的安規(guī)體系
從體系上看，常常會用到有UL、VDE和IEC標準。從下圖看三者的演變歷史可以發(fā)現(xiàn)， UL對于驅動芯片的認證標準沒有什么變化，而針對光耦驅動類產(chǎn)品的認證IEC60747-5-5和VDE0884-5也無明顯變化。只有針對磁隔和容隔驅動產(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。從原來的VDE0884-10更替成VDE0884-11，首次提出了驅動器件壽命需滿足預測要求。在2020年IEC標準大會后，推出了同樣針對磁隔和容隔驅動產(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，本文后面會提到。
其中UL的絕緣標準相對簡單，一般會給出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(guī)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)會的認證，是歐洲最有經(jīng)驗的也是在世界上享有很高聲譽的認證機構之一。而IEC標準就是國際電工委員會制定的標準。國際電工委員會(International Electro technical Commission，簡稱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。這兩個體系的標準對于絕緣有著細致的等級描述，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，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(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，它可能是個一體成形的隔離物。
舉一個簡單形象的例子。比如預防新冠病毒，帶一個醫(yī)用口罩就是基本絕緣，帶兩個就是雙重絕緣，其中第二個口罩算是附加絕緣，那么也可以直接帶N95的口罩算加強絕緣。
而且我們常說的器件符合加強絕緣要求是有一個電壓限定的，就是指在多少伏的電壓下器件滿足加強絕緣要求。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，如果驅動芯片符合加強絕緣的話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，一個是在空氣中，一個是在油里）。對于特定VIOSM的驅動芯片產(chǎn)品必須通過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(xiàn)的）。這個對于器件來說的話還包含了驅動芯片電氣間隙和內(nèi)部綁定線的絕緣考量。一般實際使用的時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要求有關，可以參考下面這個表格。舉個例子，系統(tǒng)電壓是600V的話，要滿足過壓等級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Ⅲ的加強絕緣的話，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，我們要看1000V的那橫欄，如果需要滿足等級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；而如果需要滿足等級Ⅲ的基本絕緣要達到8000V，這時加強絕緣的話，VIOTM就需要達到12000V。英飛凌的驅動芯片1ED3321的VIOTM就是8000V，所以在符合等級Ⅱ過壓的應用里，這顆器件滿足高達1000V的加強絕緣要求！
TDDB--隨時間變化的電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象
那么這個事關人身安全的隔離電壓，用久了會不會下降？我們怎么評估它呢？在上面我們有說過，和之前的VDE0884-10不同，VDE0884-11標準里還增加了關于絕緣介質(zhì)壽命的測試模型。就是TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)測試。因為在實際使用，受絕緣材料、芯片本體尺寸及內(nèi)部結構和長期使用溫度等影響，器件能承受的電壓應力水平會隨著時間的增長有所降額。下圖就是最大工作電壓（也就是上面提到的VIORM）和使用時間的關系圖。縱坐標是出現(xiàn)失效的運行時間，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)失效的時間越短。
在這個標準里用VIORM來作為壽命的評估點，如果是加強絕緣需要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。比如一個驅動芯片宣稱符合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。所以說在實際使用中，如果您的系統(tǒng)可重復峰值電壓更高，隔離型驅動芯片依然能提供一定的絕緣，只是使用壽命上會有影響。在有些應用里，當隔離驅動只要滿足功能隔離要求時，可以用在更高電壓，具體使用條件請與器件供應廠家咨詢情況。
以英飛凌的隔離驅動芯片1ED3321為例，符合VDE0884-11標準的各個電壓參數(shù)如下表。其實英飛凌所有符合VDE0884-11的驅動芯片產(chǎn)品通過的測試都是一樣的。
局部放電
另外，單純看能打多少絕緣電壓也是不夠的。在高壓應用場合，局部放電是發(fā)生絕緣擊穿的重要原因。在高壓強場強下，如果絕緣介質(zhì)不好比如有些許空氣間隙，那么在這些薄弱點會出現(xiàn)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，所以受到越來越多的青睞。根據(jù)VDE0884-11標準的要求，凡是需要符合各絕緣要求的器件都會進行相關的絕緣電壓和局放測試用以篩選合格的芯片。兩個測試被要求合在一起進行如下圖所示，其中a是型式試驗，b和c都是例行實驗，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芯片1ED3321為例，規(guī)格書里給出了局放測試電壓值如下
無論是相比以前的標準還是相比現(xiàn)行光耦驅動產(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(xiàn)殘次品，以確保在出廠商用后的產(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，都是和各應用領域的標準要求相關的。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。
來源：英飛凌工業(yè)半導體，原創(chuàng)：鄭姿清、王丹
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