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数字隔离器-高压增强隔离:安规、标准定义和测试方法

数字隔离器-高压增强隔离:安规,标准定义和测试方法

了解高压隔离参数的定义 、它们与实际应用的相关性 以及用于测试它们的方法,系统工程师 可以根据设计需求选择合适的隔离器。

涉及高压和高压隔离的设计非常复杂。

我的系统需要多少隔离?

什么系统级隔离 标准适用于我的产品或最终设备?是否有组件级标准帮助我比较 隔离器,并选择最适合我的系统级需要的标准? 我应该比较哪些参数或指标 – 似乎有很多?隔离 组件通过哪些测试过程来支持其数据表中 的参数?最重要的是,我如何确保构建一个系统,确保整个 产品生命周期的可靠运行?这些是许多处理高压 和高压隔离的系统工程师面临的问题。

  • 最大瞬态隔离电压 (VIOTM) 和隔离承受电压(VISO)
  • 最大重复峰值电压 (VIORM) 和工作电压(VIOWM)
  • 最大浪涌隔离电压 (VIOSM)
  • 相比漏电起痕指数 (或称相对漏电起痕指数) Comparative Tracking Index ( CTI )

什么是数字隔离芯片&数字隔离器?

近年来,数字隔离芯片在工业、医疗、汽车等领域越来越多的被工程师所信赖。数字隔离芯片因为体积小,集成度高,功耗低,通讯速度高等显著的特点,正在逐步替代传统的光耦器件。数字隔离芯片是系统中涉及到高压安全的核心器件,因此出厂的时候需要经过严格筛选。

隔离是防止直流和不需要的交流电流在系统两个部分之间,同时允许信号和功率传输这两个部分之间的一种手段。用于隔离的电子设备和半导体 IC 称为隔离器。由于各种原因,现代电气系统需要隔离。一些示例是防止对人工操作员的电击防止损坏高压系统中昂贵的处理器、ASIC或FPGA,打破通信网络中的接地环路,以及与电机驱动或电源转换器系统中的高端设备的通信。需要隔离的应用示例包括工业自动化系统、电机驱动、医疗设备、太阳能逆变器、电源和混合动力电动汽车 (HEV)。

数字隔离器的功能隔离和增强隔离

当隔离用于使系统正常运行,但不一定用作防震屏障时,它被称为功能隔离。如果隔离提供充分的保护,防止电击,只要绝缘屏障完好无损,它被称为基本隔离。安全法规要求基本隔离辅以二级隔离屏障进行冗余,以便即使第一个屏障发生故障,附加屏障也可提供防震保护。这称为双重隔离。为了使系统紧凑和节省成本,最好只有一个级别的隔离,具有所需的电气强度、可靠性和两级基本隔离的防震保护。这称为增强隔离。隔离器的高压隔离性能在元件电平通过参数进行量化,如最大重复峰值电压(VIORM)、工作电压(VIOWM)、最大瞬态隔离电压(VIOTM)、隔离承受电压(VISO)、最大浪涌隔离电压(VIOSM)和比较跟踪指数(CTI)等。这些参数表示隔离器处理不同幅度和瞬态轮廓的高压应力的能力,并可直接映射到实际操作情况。这些参数的定义和测试方法在组件级标准(如 IEC 60747-5-5、VDE 0884-10 和UL1577)中进行了描述。基本和强化隔离器的测试方法略有不同,后者则更为严格。VDE 0884-10 特别适用于磁性和电容式对子或隔离器。当隔离器用于实际应用时,系统和最终设备标准也根据系统线路电压以及是否需要基本隔离或增强隔离,要求这些隔离参数的某些最小值。

  • IEC 61800-5-1(可调速度电气驱动器的安全标准)、
  • IEC 60664-1(低压系统内设备的绝缘协调)和
  • IEC 61010-1(测量、控制和实验室设备的安全标准)

是系统和最终设备标准的示例。本文档详细讨论了上述高压隔离参数的定义及其与实际系统场景的相关性,并介绍了如何测试和认证这些参数。这种理解对于比较竞争隔离解决方案的性能、确定隔离器是否满足系统级隔离要求、确定隔离器是否可用于增强隔离以及判断隔离器的长期可靠性至关重要。TI的ISO7842 是一款强大的电磁兼容性 (EMC)、高速、高共模瞬态抗扰 (CMTI)、四通道增强数字隔离器。它使用基于电容的隔离与二氧化硅 (SiO2) 作为介电。

该器件采用先进的加工技术 、精确的封装技术和创新的 电路设计,提供业界领先的高压和电气 性能。

本文档讨论 ISO7842 上的高压测试的测试程序和结果。 测试结果表明,该器件具有 卓越的高压性能和可靠性, 使系统工程师能够自信地解决 最棘手的隔离问题。

最大瞬态隔离 电压和隔离承受电压

最大瞬态隔离电压 (VIOTM) 和隔离承受电压(VISO)都旨在量化隔离器在非常短的时间内通过隔离屏障处理高电压的能力。在正常操作期间,隔离屏障上的应力电压受最大系统线路电压限制。但是,系统中的无意干扰(例如,电弧或负载变化导致的电源上的噪声)可能会短暂地导致隔离器上的电压是线路电压的几倍。隔离器应该能够处理这些瞬态过压,而不会损坏。

VIOTM 由 IEC 60747-5-5 和 VDE 0884-10 定义为隔离器在不分解的情况下可以处理的峰值瞬态电压。在认证过程中,通过强调 VIOTM 的隔离器 60 秒,然后以1.6 倍 VIORM 进行 10秒的部分放电测试(参见下一节,了解VIORM 的定义)。这称为方法 A 测试。

VIOTM 在生产制造过程中通过强调 VIOTM的每个设备一秒钟,然后以 1.875 倍 VIORM 进行部分放电测试,测试一秒钟。这称为方法 B1 测试。部分放电是绝缘材料内部的局部放电,表明绝缘完整性。有关方法 A 和方法 B1 测试配置文件的更多详细信息,请参阅本文最后的附录。

VIOTM 的值还可用于确定符合系统级标准(如 IEC 60664-1),该标准要求绝缘屏障能够容忍一定级别的临时过压,具体取决于系统电压,可耐受 5 秒钟。例如,VIOTM 大于6222 Vpk (4400 Vrms) 的隔离器符合 IEC 60664-1 的线路电压高达 1000 Vrms 的临时Vpk过压标准。VISO 根据 UL 1577 定义为隔离器可以处理的 60 秒电压rms 值。在认证期间,通过应用VISO的正弦应力60秒进行测试。在生产中,VISO 通过强调每个设备 1.2 倍 VISO 一秒钟来进行测试。对于正弦应力,VIOTM 和 VISO 是等效的。

测试实例:

TI 测试其数字隔离器,以符合 UL、IEC 和 VDE 要求。为了对VIOTM或VISO进行测试,使用HT9464高压隔离测试系统。本设备能够根据方法 A 和方法 B1 应用所需的瞬态过压剖面,并测量部分放电。此测试通过连接第一侧和侧二的所有引脚,然后将电压施加到隔离屏障上(图1 )来执行

图1:HT9464 测试设置,用于测试 VIOTM 和 VISO :
图1:HT9464 测试设置,用于测试 VIOTM 和 VISO :

 

HT9464具有自动处理程序界面的生产测试
HT9464具有自动处理程序界面的生产测试

 

TI的ISO7842 符合每 UL 5700 Vrms的 VISO,每VDE0884-10和 IEC 60747-5-5 的VIOTM 为 8000 Vpk。 Vpk 这是基于方法 A 测试超过五个晶圆场,以及总共 2000 多个设备。此外,每个ISO7842 器件都将根据方法 B1 进行生产测试,应力电压大于 6840 Vrms,以满足 UL 要求。这些级别的 VISO 和 VIOTM 是业内任何隔离器在标准16 针 SOIC 封装中提供的最高级别。

必须注意的是,ISO7842很容易满足4400 Vrms要求,即根据 IEC 60664-1,对于高达1000 Vrms的线路电压,加强隔离所需的临时过压。.

最大重复峰值电压 和工作电压

最大重复峰值电压 (VIORM) 和工作电压(VIOWM)都旨在量化隔离器在其整个生命周期内连续、日常地处理过其屏障的高压的能力。

例如,用于为电机驱动系统中的高侧 IGBT提供栅极控制的隔离器在其隔离屏障上会看到周期性梯形电位差,因为隔离器的辅助侧被引用,在高压直流导轨之间上下移动。每当电机运行时,都会存在此梯形应力。VIORM 和 VIOWM 在 IEC 60747-5-5 和 VDE 0884-10 中定义。VIORM 定义为隔离器可以承受的最大重复峰值电压,而 VIOWM 被定义为隔离器在指定的长期内可以承受的最大rms或等效直流电压。对于正弦应力电压,VIORM 和 VIOWM 等效。这两个值由隔离器制造商根据制造商的测试指定。

VDE 0884-10 Ed 1.0 和 IEC 60747-5 通过部分放电测试检查VIOWM 和 VIORM,该测试检查绝缘层内的局部放电,表明绝缘层退化。部分放电测试与VIOTM测试一起执行,在认证期间使用方法 A 测试,在生产测试期间使用方法 B1。即将发布的 VDE 0884-10 Ed 2.0 还包括 VIORM 和 VIOWM 的附加要求。为了符合这一新的即将推出的标准,增强型隔离器的制造商必须向认证机构提供加速压力测试数据,以证明隔离器在 37.5 年以上内能够处理 1.2倍VIOWM/VIORM。在加速应力测试期间,隔离器受到不同程度的高电压,远高于其预期的工作电压,并记录相应的故障时间。然后,对电压与时间曲线进行外推,以在预期工作电压下进行寿命预测。对于使用二氧化硅 (SiO2) 作为绝缘材料的隔离器,故障时间与应力电压之间的关系呈指数关系。因此,预期故障时间日志在施加电压应力时线性减少。因此,VDE 0884-10 Ed 2.0 要求基于 SiO2 的隔离器使用与曲线拟合加速测试数据相同的关系。

2 显示了用于执行加速应力生存期测试的测试设置。隔离器一侧的所有端子都短路在一起,隔离器第二侧的所有端子都短路在一起。所需的高电压,60 Hz正弦波,在一侧和二面之间应用,使用高压源(如AR 7715高压绝缘测试仪)对隔离屏障进行应力。连续施加应力电压,直到一侧至两侧的阻抗降至 4 MΩ 以下。在每个电压点,至少对 32 个器件的批次进行压力。设备故障时间与 Weibull 分布很合适,统计分析用于查找与 <1 ppm 故障率对应的故障时间。然后,在电压与故障时间图中绘制此时间。该过程在不同的电压点重复,以生成整个电压与故障时间曲线。当该曲线被推断为大于 37.5 年,并且进一步去估系数 1.2 时,给出了 VIOWM/VIORM 的值。有关加速应力测试和相关外推的更全面了解,请参阅 VDE 0884-10 Ed 2.0 标准。在高温 (150°C) 和室温 (25°C) 下进行加速应力测试。VDE 0884-10 Ed 2.0 要求,来自加速应力测试的VIORM 和 VIOWM值使人们对连续施加高压的隔离器的长期可靠性更有信心。 IEC 60747-5-5 和 VDE 0884-10 Ed 1.0规定的部分放电测试也不能如此,因为长期承受能力与部分放电之间没有既定的关系。

图2:加速应力寿命测试的设置。
图2:加速应力寿命测试的设置。

 

AR 7715测试连接示意图
AR 7715 HIpot 高压绝缘测试仪测试连接示意图

 

图 3显示了 ISO7842 的预期寿命预测,该投影基于对五个不同晶圆场和总共 2000 多个器件使用的隔离屏障的加速应力测试。阴影区域指示此设备的安全操作区域 (SOA)。 请注意,实际测试数据故意不显示在图中。SOA 包括标准要求的 1.2 去评级因子,并且基于比标准要求的更保守的统计外推。SOA 可用于估计任何给定工作电压的预期寿命。

<<1 ppm 线路表示,预计 100万台设备中只有不到一台位于 SOA 之外。如图 3 的 SOA曲线所示,Ti的ISO7842可以承受2121 Vpk的 VIORM 和1500 Vrms的VIOWM超过40 年。这些级别的 VIORM 和 VIOWM 是业内任何隔离器在标准16 针 SOIC 封装中提供的最高级别。

图3:ISO7842的最大重复峰值电压 (VIORM) 和工作电压(VIOWM)
图3:ISO7842的最大重复峰值电压 (VIORM) 和工作电压(VIOWM)

最大浪涌隔离电压

最大浪涌隔离电压 (VIOSM)可量化隔离器承受特定瞬态轮廓的非常高电压脉冲的能力。浪涌测试配置文件如图 4 所示。由于直接或间接的雷击、故障和短路事件,在装置中可能导致浪涌电压。根据 IEC 60747-5-5 和 VDE 0884-10,声称具有特定 VIOSM 的隔离器必须通过峰值电压 1.3 倍 VIOSM 的浪涌测试,用于基本隔离,而用于增强隔离的 VIOSM 为 1.6 倍。只有在组件级别通过高于 10 kV 的浪涌测试时,才能在组件级别称为隔离器。浪涌测试的通过级别还用于确定符合系统级标准(如 IEC 61800-5-1)的标准,这些标准需要给定系统电压的一定浪涌能力。

例如,对于直接连接到电源电源的设备(称为 III 类),在 600 Vrms 线路电压下工作,IEC 61800-5-1 要求最小浪涌能力为 8000 V,用于增强隔离。

请注意,在大于 10 kV 的水平上通过浪涌测试已被广泛用作增强隔离的黄金标准,尽管系统级别标准允许较低线路电压的系统降低浪涌能力值。

图4:最大浪涌隔离电压 (VIOSM)脉冲轮廓
图4:最大浪涌隔离电压 (VIOSM)脉冲轮廓

 

5 显示了用于测试 ISO7842 上的浪涌性能的设置。隔离器通过将所有左侧引脚短路到一组,将所有右侧引脚短路到另一组,配置为双端设备。

使用 MIG1203 或 MIG2403 EMCPARTNER的MIG1203和MIG2403已停产,替代型号INS-1250-x序列产品,详情联系EUTTEST获取更多信息)浪涌发生器在隔离屏障上施加浪涌电压,具体取决于所需的测试电压。

图5:最大浪涌隔离电压 (VIOSM)测试设置。
图5:最大浪涌隔离电压 (VIOSM)测试设置。

 

测试通过对额定应力电压的正极和负极性各应用50个脉冲来执行。浪涌测试后,对器件进行每种方法B1的部分放电试验、绝缘阻抗试验和全功能生产测试。如果设备在施加浪涌电压后成功通过所有这些测试,则视为通过浪涌测试。为了避免在空气中电弧,此测试在介电油中执行。ISO7842基于对超过5 个晶圆位和总共 2000 多个器件的测试,以大于 12800 V 的电压通过浪涌电压测试。由于这超过 10 kV,它符合增强隔离器的限制。根据增强隔离所需的缩放系数 1.6,VIOSM 的额定值为 8000 V。 通过12800 V浪涌测试还意味着该器件符合直接连接到主电源的设备、高达1000 Vrms的线路电压的增强隔离的浪涌标准,根据 IEC 61800-5-1。

相比漏电起痕指数

相比漏电起痕指数 (或称相对漏电起痕指数) Comparative Tracking Index ( CTI ):材料表面能经受住50滴电解液(0.1%氯化铵水溶液)而没有形成漏电痕迹的最高电压值,单位为V。在IEC 60112该标准中明确的提出了测试方法。其测试方法是:在裸基材的电路板上,再相距4mm的两点处,以60°的方向在100g的力量下刺入板材。两电极其尖端与水平面的角度为30°,面板在刺定之后在我们选取的两点之间不断滴下0.1%的氯化钠溶液,每30s一滴,并通入100V600V的交变电压。可以先试用300V的电压并控制电流为1A,因为此时拌面上有氯化钠溶液,有电阻故会发热,热量会使得溶液挥发掉,然后继续滴入氯化钠溶液直到50滴的时候,此时观察板材本身是否漏电。一旦其绝缘板材出现了0.1A以上的漏电流且持续时间超过0.5s以上者,即记录为故障,此时一般蜂鸣器会叫,测试仪器也会自动记录此时已经滴下的氯化钠溶液的滴数。如果没有,则继续提高电压,直至产生failure为止,并记录,而此最终让其failure的电压为其CTI数据。

当隔离器作为最终设备的一部分放置在主板上时,除了其内部隔离参数外,其封装中使用的模具化合物也很重要。这是因为当在隔离器上施加高电压时,在封装表面或靠近包装表面的放电可能导致模具化合物的局部变质,导致从隔离器的一侧到另一侧的部分传导路径。这种现象称为跟踪。材料承受跟踪的能力由比较跟踪指数 (CTI) 量化。

IEC 60664-1 根据材料的 CTI 值将材料分为四个材料组:

材料组 I:600 V < CTI
材料组 II:400 V < CTI < 600 V
材料组 IIIA:175 V < CTI < 400 V
材料组 IIIb:100 V < CTI < 175 V

CTI 在确定隔离器表面的最小蠕变或从隔离器一侧的引脚到另一侧的引脚的最短距离方面起着重要作用。根据系统环境中存在的污染程度,给定工作电压需要最小蠕变。使用具有更高 CTI 的模具化合物可使用更小的封装,并节省电路板空间。例如,根据 IEC 60664-1,使用 CTI-I 模具化合物的 8 mm 蠕变的封装可以承受高达 1600 Vrms of的工作电压,而使用CTI-IIIa模具化合物的同一封装只能承受800 Vrms。

ISO7842 采用 CTI-I 模具化合物。这意味着它实际上可以启用actually enable系统电平的 1500 Vrms 工作电压,并配以标准 8 mm 蠕变 SOIC-16 封装。相比之下,在同一封装中使用 CTI-IIIa模具化合物的竞争隔离器只能在系统级别实现 800 Vrms 的工作电压,即使它们可能在组件级别声称 VIORM/VIOWM 的较高值。

绝缘穿通距离

绝缘穿通距离distance through insulation(DTI):工具中用附加绝缘或加强绝缘离的两金属零件之间的最小直线距离。

绝缘穿通距离 (DTI)的距离是隔离封装内部隔离器中的两个电压域之间的最小距离。许多最终设备标准(如 IEC 60601-1(医疗电气设备标准)规定了通过绝缘实现的最低所需距离。

但是,这些标准有允许更薄的绝缘层的规定,只要它们通过某些测试。这些测试是 VDE 0884-10 所需的类型测试的子集。从历史上看,较高的 DTI 是基于所用绝缘材料的直接隔离性能指示。然而,由于新一代磁性和电容式隔离器使用更高质量的绝缘材料,因此小得多的DTI可以获得非常高的隔离性能。

ISO7842 的最小内部 DTI 为 21 μm,,典型 DTI 为 25 μm。然而,在800 V/μm时,所用介电材料SiO2的分解强度非常高。使用的介电质量是该器件具有卓越高压性能的原因。该器件符合 VDE 0DE 0884-10 的增强隔离类型测试标准,证明使用 800 V/μm分解强度的材料的 DTI 为25 μm不是μm问题。

表1.ISO7842 性能摘要

序号属性标准
1VisoUL15775700Vrms
2ViotmVDE 0884-10

Ed1.0=2.0

8000Vpk
3ViormVDE 0884-10

Ed1.0=2.0

2121 Vpk (>40 年)
4ViowmVDE 0884-10

Ed1.0=2.0

1500 Vrms (>40 年)
5ViosmVDE 0884-10

Ed1.0=2.0

8000 V (浪涌测试通过电平

>12.8 kV)

6CTIIEC 60664-1CTI >600 材料组:I
7DtiNA21 微米(分钟) / 25 微米(类型)

注:SiO2 的细分字段为800 V/μmμm

最大瞬态隔离电压 (VIOTM) 和隔离承受电压(VISO)

最大重复峰值电压 (VIORM) 和工作电压(VIOWM)

最大浪涌隔离电压 (VIOSM)

相比漏电起痕指数 (或称相对漏电起痕指数) Comparative Tracking Index ( CTI )

绝缘穿通距离distance through insulation(DTI)

笔记:

1. ISO7842 还符合表 1 中提及的 VISO、VIOTM、VIORM 和 VIOWM 值(IEC 60747-5-5)。但是,ISO7842 将不通过 IEC 60747-5-5 认证,因为该标准特定于光耦合器,而不是电容耦合器。

2. VDE 0884 Ed 2.0(即将发布)是 VDE 0884 Ed 1.0 的修订版。 与 IEC 60747-5-5 和 VDE 0884 Ed 1.0 表示 VIOWM 和 VIORM,它有更严格的约束和额外要求。

结论

隔离器的高压隔离性能用不同的参数进行量化,这些参数表示隔离器处理不同幅度和瞬态轮廓的高压应力的能力。各种组件级标准定义了这些参数和测试它们的方法。本白皮书详细讨论了这些参数的定义、它们与实际系统场景的相关性,并介绍了如何测试和认证这些参数。

介绍了 TI ISO7842 增强数字隔离器的测试结果,该测试按照标准程序执行。该器件满足组件和系统级别的增强隔离的瞬态过压和浪涌要求,并在连续的高工作电压下实现多年可靠运行。测试结果表明,该器件标志着 TI 电容式高压隔离功能的重大飞跃,同时可提供业界领先的高压性能。

引用

1. IEC 60747-5-5 Ed 1.1,半导体器件 •离散器件 •第5-5 部分:光电器件 • 光耦合器,2013 年 5 月

2. DIN V VDE V 0884-10 Ed 1.0,半导体器件– 磁性和电容式连接器,用于安全隔离,2006 年 12 月

3. UL 1577 Ed 4.0,光学隔离器安全标准,2000 年 5 月

4. IEC 61800-5-1 Ed 2.0,可调速度电力驱动系统,安全要求,电气、热能和能源,2007 年 7 月

5. IEC 60644-1 Ed 2.0,低压系统内设备的绝缘协调,原则、要求和测试,2007年4月

6. IEC 61010-1 Ed 3.0,测量、控制和实验室使用电气设备的安全要求,一般要求,2010年6月

7. ISO7842 产品文件夹

8. ISO7841 产品文件夹

9. ISO7821 产品文件夹

10. 强化隔离满足无与伦比的性能

11. 萨兰甘·瓦拉万,了解数字隔离器中的电磁合规性测试,

德州仪器白皮书,2014 年 11 月

附录

图6:简化方法 A 测试配置文件。
图6:简化方法 A 测试配置文件。

 

最大瞬态隔离电压 (VIOTM)

最大重复峰值电压 (VIORM)

图 7: 简化方法 B1 测试配置文件。
图 7: 简化方法 B1 测试配置文件。

 

最大瞬态隔离电压 (VIOTM)

最大重复峰值电压 (VIORM)

重要提示:本所描述的德州仪器 (TI) 及其子公司的产品和服务均受 TI 标准销售 条款和条件的约束。建议客户在下订单前获取有关 TI 产品和服务的最最新、最完整的信息。TI 对 应用程序协助、客户的应用程序或产品设计、软件性能或专利侵权不承担任何责任。发布有关 任何其他公司产品或服务的信息并不构成 TI 的批准、 担保或 认可。

作者:

Anant S Kamath ,Systems Engineer, Isolation, Interface Group Texas Instruments.

Kannan Soundarapandian, General Manager, Motor Drivers Texas Instruments.

 

参考产品:

HT9460 和 HT9464 高压隔离测试系统

INS-1250-7K5 及 INS-1250-30K 脉冲绝缘测试 EMCpartner

AR 7715 HIpot 高压绝缘测试仪