想了解高压隔离技术是如何工作的吗？

快来观看在TI的高压实验室拍摄的系列小视频。

今天的内容融汇了这三个小视频中的知识点

值得学习和收藏哦~

 现在让我们跟随 TI 的高电压技术专家

了解TI 电容隔离技术是如何实现

业内最高的隔离等级和最长寿命周期的可靠性的

 高电压隔离结构

    德州仪器(TI)的增强型隔离技术是通过将厚二氧化硅电容器组合串联实现的。每个通道均在两个裸片上采用了高电压隔离电容器。

剖面原理图

    在上面的剖面原理图中，您可以看到，左右两侧各有一个裸片，且它们都有一个高电压电容器。而且它们是串联的。隔离电容器组合厚度大于21微米。数据在传输过程中会穿过该隔离层，如下图的原理图所示。信号传入、接受调制、穿过差分电容器对的隔离层、解调，然后传出。

    数字隔离器、隔离链路、模数转换器、隔离放大器和隔离栅极驱动器中均使用了这一隔离通信路径。此结构可实现非常高的隔离能力，包括12.8kV额定浪涌电压、8kV峰值瞬态过压和1.5kVRMS工作电压。下面，让我们来深入了解一下该结构。我们将会从上层开始。在16引脚SOIC封装的X射线图像中，大家会看到什么。

    这是一个宽体封装。在封装内部，两个裸片垫之间有一个较大的内部间隙，该间隙超过了600微米。每个裸片都有高电压电容器。这是一个三通道隔离器，每侧均有六个电容器。

    增强型隔离层由两个高电压电容器组成，这两个电容器分别位于两个彼此串联的裸片上。每个电容器均为厚二氧化硅电容器电介质。测试高隔离电压能力这一性能的最佳测试之一是击穿电压测试，或者叫缓升至击穿电压测试。在该测试中，会从左侧至右侧施加高交流电压。该电压会以每秒1kVRMS的速率递增，直至发生击穿。在发生击穿时，记录下击穿电压。在大量器件上重复该过程。通过对这些器件的统计分析，我们可以评估该技术相对于额定值的表现效果。

    在上面的直方图中，是我们对来自113个批次的1,130个器件进行缓升至击穿电压测试所得到的数据。您会看到，平均击穿电压高于14kVRMS。这要比额定隔离电压5.7kVRMS高得多。一种较好的用于判断该性能高出了多少的方法是CPK指标。CPK为1表示该数据高于隔离要求3sigma。CPK为2表示该数据高于隔离额定值6sigma。您可以看到，该数据集中具有大于6的CPK。该CPK是在生产测试条件下测得的，比隔离额定值高20%。该数据表明，TI的增强型隔离产品系列具有超出增强型隔离要求的高电压能力。

   可靠性测试

    主要的隔离电气寿命测试是时间依赖型电介质击穿测试，简称TDDB。TDDB是用于确定作为电压的函数的电介质寿命的标准方法。在下图中，您可以看到，用于测试的电压为蓝点，这些电压为5,000、6,000和7,000VRMS，远高于1,500VRMS的工作电压。

    通过各个电压下的威布尔统计，我们可以测量平均寿命，该值称为t63，也就是63%的器件都测试失败的点。而器件的失败率仍低于1PPM时，寿命中的点则组成了图中左侧的虚线。然后将多个电压数据拟合成一个模型。该模型是一个TDB标准模型，其中失败时间与所施加的电场，或者本例中所施加的电压，成指数关系。由于是指数关系，在该图中，您可以看到，y轴上的寿命是一个对数标度，它的跨度极大，从图底部的10秒，一直到图顶部的300年。使用此数据的方法是将1PPM线与隔离额定值进行比较。您可以在该图的左上角看到二者的比较。您可以通过三种方式来比较实际数据相对于工作电压的裕度。一种方式是电压裕度。另外一种方式是寿命裕度。最后一种方式是查看失败率。

    我们选择二氧化硅作为我们的电介质，是因为它具有非常出色的可靠性。在下表中，我们对隔离产品中有时会使用的一些电介质进行了比较。

 浪涌测试

    浪涌测试用于验证器件在短时间内对非常高的电压电平的抵抗能力，例如抗雷击能力。浪涌峰值电压测试是必须的，它是外部标准IEC61000-4-5以及VDE0884-10和11的一部分。浪涌测试采用抽样测试的方式。

    在TI，我们会使用一种方法来统计分析浪涌特征数据，如下图中所示。

    该图表明，浪涌测试失败率是电压的函数。我们所使用的方式是，在不同的电压下测试一定数量的器件，记录失败的数量。此测试使用了具有相同极性的50个脉冲。我们将其称为单极性浪涌测试。我们使用50个正脉冲，或者50个负脉冲进行测试。单极性测试代表对单一浪涌事件的抵抗力。但是，还有另外一种测试方法，我们称之为双极性测试。双极性测试是由于磁滞效果造成的最坏情况浪涌测试。在此测试中，每个器件都要先后承受具有相反极性的25个脉冲。当我们切换极性时，器件中仍具有前25个脉冲所造成的部分电荷，这会给隔离层带来更大的压力。这种测试代表对更加复杂的浪涌事件的抵抗力。

    现在，VDE0884-10和11都要求进行该测试。图中的橙色数据便是双极性数据，通过这类数据，您可以看到，12kV时失败率为零，直至15kV失败率仍未零，然后，电压更大之后便出现了失败的情况，到22kV时失败率变成百分之百。在一些电压下，所有隔离层都会测试失败。这类测试有助于您了解您的技术相对于要求值有多大的裕度。在本例中，您可以看到可确保的电压是12.8kV，比8kV的浪涌隔离额定值高60%。该数据表明，器件相对于要求的隔离电压具有非常高的裕度。总之，TI的增强型隔离产品系列具有超出增强型隔离要求的高电压能力。我们使用统计测试方法，通过实质性的裕度证明了这些产品的高电压隔离质量。