07:17:07 - 05.12.2021
12:01:02 - 16.11.2021

Повышение эффективности изоляции оптопары с помощью клетки Фарадея

Повышение эффективности изоляции оптопары с помощью клетки Фарадея
Лим Чиун Пин (Lim Shiun Pin), инженер по техническому маркетингу, Broadcom

Наличие высоковольтной изоляции в современных компонентах позволяет использовать их в системах с большими перепадами напряжения, к которым относятся источники питания, системы управления двига- телями и батареями, сервоприводы, промышленные роботы, инверторы для фотоэлектрических систем и электромобилей, а также станции быстрой и беспроводной зарядки, системы передачи данных и логические интерфейсы.

Компоненты, обеспечивающие гальваническую развязку между частями схемы и обеспечивающие, таким образом, заданный уровень безопасности, или функциональное разделение цепей, именуются изоляторами.
Изолирующий барьер может быть встроен в микросхемы разного назначения, например в драйверы затворов силовых ключей, АЦП, коммуникационные, интерфейсные микросхемы и т.д.

Типы изоляции
         Существуют три основных типа изоляции, применяемых в схемотехнических решениях: оптическая изоляция, изоляция на основе магнитной связи и изоляция на основе емкостной связи. В таблице 1 представлены ключевые различия между этими типами изоляции, а также указаны основные данные по сертификатам безопасности, методике проверки и механизмам отказа компонентов на их основе.
         Принцип действия изоляторов с оптической развязкой основан на преобразовании передаваемого электрического сигнала в световой поток с помощью излучателя (светодиода), передача его через изоляционный барьер (величиной 0,08–2 мм) и прием его фотоприемником с последующим обратным преобразованием в электрический сигнал. Одним из параметров, который определяет срок службы данного типа изоляторов, является целостность изоляционного материала, которую можно определить путем измерения величины частичного разряда.
         Целостность изоляционного материала, а  значит, его электрическая прочность напрямую зависит от технологии изготовления и  контроля на производстве. Одним из наиболее часто встречающихся дефектов изоляционного материала является наличие в нем небольших полостей, заполненных воздухом или другими примесями. У этих полостей – значительно меньше электрическая прочность, чем у окружающего диэлектрика, что способствует возникновению нежелательных разрядов и пробоев диэлектрика. Несмотря на то, что величина разряда ограничена размером полости, он происходит с некоторой периодичностью, как только величина накопленного заряда в полости достигает уровня напряжения пробоя. Этот разряд носит название частичного и происходит до тех пор, пока к диэлектрику приложено электрическое поле достаточной величины.
         Области с  частичным разрядом обнаруживаются путем измерения тока утечки, однако если их не определить своевременно, они увеличатся и вызовут полное разрушение изоляционного барьера. Таким образом, одним из важных этапов производства компонентов с оптической изоляцией является проведение испытаний на частичный разряд во избежание разрушения изоляционного барьера при эксплуатации компонента в полевых условиях.

Таблица 1. Основные характеристики и отличия между изоляторами разных типов

Конструкция изолятора

рис1.jpg

Рис. 1. Конструкция изолятора Broadcom с оптической развязкой, в которой используется диэлектрик из каптона и экран на основе клетки Фарадея

рис2.jpg

Рис. 2. Конструкция изолятора на основе магнитной связи с одной парой катушек

рис3.jpg

Рис. 3. Изолятор на основе емкостной связи с двумя последовательно соединенными конденсаторами и SiO2 в качестве диэлектрика

Изоляционный материал

три слоя: кремний–каптон–кремний

один слой: полиимид

один слой: диоксид кремния (SiO2)

Толщина изолятора

0,08–2 мм

около 0,02 мм при использовании одной пары катушек и 0,04 мм – в случае двух пар

около 0,014 мм при использовании одного конденсатора и 0,028 мм – в случае сдвоенного конденсатора

Сертификация компонентов, метод проверки

IEC60747-5-5 (только для оптопар), частичный разряд

VDE 0884-10, частичный разряд

VDE 0884-11, частичный разряд

Механизм отказа

частичный разряд

деградация пространственного заряда

пробой диэлектрика, разложение оксидной пленки с течением времени



         Высокое качество и надежность изоляционного барьера оптопар компании Broadcom обеспечивается благодаря следующим трем технологическим мерам, осуществляемым на этапе проектирования:
  • использованию каптона (пленки из полиимида) в качестве диэлектрика между светодиодом и фотоприемником;
  • использованию запатованной технологии защитного экрана на основе клетки Фарадея, который устанавливается на фотоприемнике и разделяет входную и выходную части оптопары;
  • использованию уникальной технологии изготовления корпуса компонентов, оптимизированной для того, чтобы уменьшить емкости на входе и выходе изолятора. 
         Эти меры, а также результаты технологических испытаний оптопар Broadcom на  воздействие скачков высокого напряжения рассматриваются далее. На рисунке 1 показана структура оптопары Broadcom.
         В изоляторе на основе магнитной связи используются две магнитные катушки, расположенные одна на другой, и слой диэлектрического материала между ними. Диэлектрик толщиной около 0,02 мм изготовлен из полиимида. При подаче электрического сигнала переменного тока на первой катушке создается магнитное поле, которое превращается в электрический сигнал на второй катушке. Увеличение толщины изоляционного барьера без потери качества передаваемого сигнала достигается путем использования двух пар катушек; при этом толщина изоляции составляет около 0,04  мм. Поскольку передача сигнала основана на магнитной связи, наличие сторонних магнитных помех может оказывать негативное влияние на передачу. Процесс разрушения изоляционного материала в компонентах этого типа можно отследить по уровню деградации пространственного заряда. На рисунке 2 показана конструкция изолятора на основе магнитной связи с одной парой катушек и полиимидом в качестве изолятора между ними. 
         Изолятор на основе емкостной связи по  своей конструкции очень похож на керамический конденсатор, в котором диэлектрик толщиной около 0,015 мм изготовлен из диоксида кремния (SiO2) и расположен между двумя металлическими пластинами из алюминия (Al). Изоляционный слой из SiO2 представляет собой кристалл, выращиваемый в процессе изготовления на алюминиевой пластине. Как следствие, одним из факторов, которые могут повлиять на качество изоляции компонента, является то, насколько точно были соблюдены условия выращивания кристалла. Дефекты в нем ослабят изоляционный материал, могут спровоцировать пробой диэлектрика и разложение оксидной пленки. Как и в изоляторе на магнитной связи, для увеличения толщины изоляции можно использовать два последовательно соединенных конденсатора, тем самым увеличив толщину изоляционного барьера примерно до 0,03 мм. На рисунке 3 показана структура изолятора на основе емкостной связи с двумя конденсаторами.
         Сертификация оптопар осуществляется по международному стандарт у безопасности  IEC60747–5-5, согласно которому механизмом отказа для этих компонентов является возникновение частичного разряда, провоцирующего разрушение изоляционного слоя со временем. Этот стандарт применяется только для компонентов с оптической изоляцией. Для сертификации изоляторов на основе магнитной и емкостной связей применяется немецкий стандарт  VDE 0884–10/11. Тестирование на частичный разряд, проводимое для оптических изоляторов, не подходит для изоляторов на основе магнитной связи, где основной причиной отказа является деградация пространственного заряда, а также для изоляторов на основе емкостной связи, где таковая причина – пробой диэлектрика и разложение оксидной пленки с течением времени.

Тестирование на влияние всплеска высокого напряжения
        Для проведения испытаний на влияние всплеска высокого напряжения применяется установка, аналогичная приведенной на рисунке 4. В ней используется ESD-пистолет в качестве высоковольтного генератора, который формирует всплески высокого напряжения. Время нарастания напряжения ESDпистолета составляет около 1 нс, время спада – около 30 мс. Эти параметры отличаются от тех, которые определены в стандарте IEC 60060–1 (1,2 и 50 мкс), но являются достаточными для сравнения реакции компонентов, выполненных с использованием разных технологий изоляции.          

рис4.jpg

Рис. 4. а) установка для проведения теста на влияние всплеска высокого напряжения; б) профиль сигнала высоковольтного генератора


рис5.jpg

Рис. 5. Принципиальная схема печатной платы, используемой для испытаний на влияние всплеска высокого напряжения


рис6.jpg

Рис. 6. Паразитные емкости, образованные элементами микросхемы, а также защитный экран оптрона Broadcom, выполненный на основе клетки Фарадея

         Для тестирования были выбраны два компонента с  использованием оптической изоляции от разных производителей (далее приняты обозначения Broadcom и «изолятор A»), один компонент с  изолятором на  основе магнитной связи (изолятор B) и один компонент с  изолятором на  основе емкостной связи (изолятор C). Компоненты представляют собой высокочастотные сигма-дельта-модуляторы с собственным тактовым генератором, заключенные в 8-контактный корпус SSO-8. Номинальная электрическая прочность изоляции этого корпуса составляет 5 кВ (СКЗ), испытательное напряжение прикладывается в течение минуты, минимальный путь тока утечки и воздушный зазор – 8 мм. На рисунке 5 представлена принципиальная схема печатной платы, используемой для тестирования.
         Питание модуляторов обеспечивается от двух 9‑В батарей, напряжение которых преобразуется в 5 В с помощью LDO-регуляторов, расположенных с каждой стороны изоляционного барьера. Тестирование проводилось при подаче напряжения величиной 14 кВ между точками Gnd1–Gnd2, как показано на схеме. Тактовый выходной сигнал и сигнал данных были выведены на осциллограф для фиксации отклонений. Если по результатам первого теста выходы продолжали работать нормально, испытание продолжалось с увеличением значения подаваемого напряжения на 1 кВ и т. д. до 25 кВ, т. е. полный диапазон испытаний составил 14–25 кВ.

Клетка Фарадея
        Скачок высокого напряжения провоцирует возникновение тока смещения, текущего от  Gnd1  к  входу модулятора, а  затем к  его выходу и  Gnd2  через паразитные емкости, сформированные по всему изолирующему барьеру. На рисунке 6 приведена схема, на которой показаны паразитные емкости между входом изолятора и защитным экраном оптопары Broadcom, выполненным на основе клетки Фарадея. Защитный экран, заземленный на Gnd2, обеспечивает электрическое и магнитное экранирование, минимизируя влияние тока смещения на передаваемый сигнал. Использование подобного экрана нецелесообразно в изоляторах на основе магнитной и емкостной связей, т.к. он блокирует электрические или магнитные поля, используемые для передачи сигнала.

Величина емкости на входе и выходе изолятора
        Помимо наличия защитного экрана (клетки Фарадея), конструкция выводной рамки и корпуса оптопар от Broadcom оптимизирована для обеспечения как можно меньших значений емкости на входе и выходе изолятора. В таблице 2 приведены значения емкостей для изоляторов разных типов. Значение емкости напрямую влияет на величину тока смещения, а значит, и на целостность передаваемого сигнала. Ток смещения определяется по формуле i = С ∙ dv/dt, т. е. чем меньше значение входной и выходной емкостей, тем меньше ток смещения при скачке высокого напряжения.

Таблица 2. Сравнение значений емкости на входе и выходе для изоляторов разных типов
таблица2.jpg
Таблица 3. Результаты тестирования на воздействие всплесков высокого напряжения для модуляторов с разными типами изоляции
таблица3.jpg


         В таблице 3 приведены результаты тестирования на воздействие всплесков высокого напряжения в модуляторах с использованием изоляции разных типов. Согласно результатам тестирования, модулятор на  базе оптопары Broadcom оказался наиболее устойчив к всплескам высокого напряжения. При его тестировании не было выявлено ни одного отказа вплоть до 25 кВ (предельное значение для тестирования), тогда как у модулятора с оптической изоляцией от другого производителя (изолятор А) были сбои в работе при всплесках напряжения от 16 кВ и выше.
         У модулятора с изолятором на базе магнитной связи (изолятор В) и у модулятора с изолятором на базе емкостной связи (изолятор С) также наблюдались сбои при повышении напряжения всплеска до 14–15 кВ и выше. Заметим, что, хотя по результатам тестирования изоляторы А, В и С начали выходить из строя примерно при одном и том же напряжении, в первом тесте изолятор С показал достаточно хорошие результаты, а сбои начались только при всплеске выше 21 кВ. Являясь сторонником надежной и качественной изоляции в высоковольтном и другом оборудовании, компания Broadcom предлагает изоляторы на базе оптопар собственного производства. В таблице 4 приведены примеры высокопроизводительных сигма-дельтамодуляторов в корпусе SSO-8 с внутренним тактированием. Эти модуляторы прекрасно подходят для систем высокоточного измерения тока и напряжения, а также для других приложений.

Таблица 4. Сигма-дельта-модуляторы в корпусе SSO-8 с оптической развязкой от компании Broadcom
таблица4.jpg

Литература
1. Optocoupler Designer’s Guide. av02– 4387en_dg_opto_2014–01–03.pdf. Jan 3. 2014.
2. ACPL–C740 Optically Isolated Sigma-Delta Modulator. ACPL–C740 DS103 Datasheet. Apr 1 2019.
3. Ignore Detection of Partial Discharge Failures NOW – Pay Massive Amounts Later! Partial Discharge White Paper. Stephen Chaikin and Harris Tuvey.
4. T h e ISO72x Family of High-Speed Digital Isolators. Application Report. Kevin Gingerich and Chris Sterzik. Aug 2018.

Вернуться к списку