隔离式开关和开关驱动器的爬电距离和间隙
爬电距离和间隙距离是行业标准要求、规定了任意两个暴露的金属触点之间的最小间距、以防止在空气或表面产生电弧。 它们是系统中的重要设计因素、对于高压域和低压域之间包含隔离栅。 对于集成电路、爬电距离和间隙距离是在两个最近的触点之间测量的、这两个触点之间有很高的电压。 在汽车系统中、随着电动汽车采用更高的电池电压、人们对爬电和余隙要求的认识不断提高。 此常见问题解答将定义爬电距离和间隙、回顾尽可能减小爬电距离的设计方法、并在使用 TPSI2140-Q1隔离开关的示例中介绍确定爬电距离和间隙的因素。
电气间隙
间隙是在空气中测量的两个金属触点之间的最短距离、通常比爬电距离更短。 这个测量值主要是引起触点间电弧的所需最低电压的函数。 它在下图中以红色显示。
图1. 集成电路的间隙
爬电距离
爬电是沿表面测得的隔离栅任一侧两个金属触点之间的最短距离。 这种测量可以沿着在集成电路封装中传播的路径或沿 PCB 进行。 由于路径的表面绑定性质、器件的爬电距离通常比间隙长。 这种方法的好处就在于发生电弧后。 电弧产生的热量会烧坏 PCB 表面、从而在 PCB 材料上形成焦炭化的贴片。 由于碳具有更高的导电性、这有效地减少了爬电距离、因为材料的导电性更高。 爬电距离在下图中显示为蓝色。
图2. 集成电路的爬电距离
增加有效爬电距离的方法
在不实际扩大两个导电触点之间的物理距离的情况下、设计可以通过多种方法最大限度地减小爬电距离。 这些修改包括对电路板所做的物理更改和保形涂层的应用。
保形涂层–这是一种添加到电路板上的聚合物薄膜、以保护表面免受污染。 污染减少了两点之间的爬电距离、因为按照定义、它是颗粒、液体、甚至是导电的气体、也可能会变成导电的。 通常、污染物是以湿度形式表示的水、也会引起腐蚀或霉菌生长。 因此、汽车、船舶、航空航天和军事应用中都需要保形涂层。
物理 PCB 修改 –可以对电路板进行多项修改、以增加两个高压触点之间的爬电距离：
- 槽口和槽口–可以在两个触点之间添加槽口、矩形沟槽和槽口、V 形或圆形沟槽、以增加表面距离。 这些器件的好处是在触点之间并联若干个器件、以显著增加爬电距离。
- 筋–筋是一种使 PCB 材料抬高的特征、在 PCB 表面上方形成突出。 与凹槽和凹槽类似、肋材的一个优点是平行放置多个肋材。 肋的缺点是它们可能无法安装在 PCB 间隙较小的集成电路下方。 不过、另一个好处是突出会产生更长的间隙距离。
- 插槽–插槽是 PCB 中形成的长而窄的孔、可强制爬电路径横向延长。 槽方法通常是最具有成本效益且最简单的增加爬电距离的方法。
图3. 从边缘视图和顶视图进行的物理修改类型
这些爬电解决方案存在缺点。 首先、尽管这些延长爬电距离的方法看起来很简单、但它们可能会占用很大的空间。 空间占用的设计越来越多、并且每项修改都需要一些长度才能有效发挥作用。 这会侵蚀其他电路的空间。 其次是成本。 槽形法可能是最便宜的方法、但它仍然会为电路板的制造增加不可忽略的成本。 第三、实现任何种类的切口都会削弱板的机械完整性。 这意味着,如果它经历了足够强烈的振动或压力,它更容易断裂。
爬电直通
决定爬电距离和间隙的重要因素有几个。 本节将通过以将 TPSI2140-Q1设计到1000V 系统中为例、回顾其中最重要的因素。 让我们首先来了解一下我们关心的爬电距离。
图4. TPSI2140-Q1封装爬电距离
在图4中、TPSI2140-Q1封装显示了对爬电距离计算非常重要的距离。 从初级侧到次级侧的爬电距离测量值为8.1mm、次级侧高电压引脚之间的测量值为6.04mm。 此测量值仅为6.04而不是更多的原因是、它是导电表面之间的距离。 S1至 SM 和 SM 至 S2之间的非导电表面存在两个距离、这两个距离共同等于有效的非导电距离。 下图5显示了这种情况。
图5. 引脚之间的有效爬电距离
工作电压-要考虑的第一个因素是工作电压。 如前所述、该系统工作电压为1000V。 这意味着在 normal μ V 工作条件下、任何两个导电表面之间的最大电压差为1000V。 对于 TPSI2140-Q1、从次级侧到初级侧以及从 S1到 S2必须满足相关要求。
污染等级–污染被视为任何种类的可降低绝缘电阻的外来物质。 污染等级从1到4不等,污染等级1不含污染或轻微的非导电性污染,污染等级4不含导电性粉尘和润湿性。 TPSI2140-Q1的污染等级为2、这意味着它可以承受通常不导电的污染物、但当污染物被引入冷凝时会变得导电。
材料类型–要考虑的下一个因素是材料类型。 随着时间的推移、高电压可能会通过材料产生泄漏路径。 随着路径的形成、材料被碳化、从而使路径更具导电性。 相对漏电起痕指数可测量材料细分并根据其能够承受的无击穿电压范围分配等级。 TPSI2140-Q1封装属于材料组1、因此使用该器件进行设计时的主要问题将是 PCB 表面的爬电距离。
表1. 相对漏电起痕指数
|
相对跟踪指数(CTI)、单位为伏特 |
材料组 |
|
≤μ A CTI |
我 |
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≤μ V CTI < 600 |
II |
|
175 μ A CTI <≤ |
IIIa |
|
100≤CTI < 175 |
IIIB |
此时、我们已将工作电压确定为1000V。 我们已确定 TPSI2140-Q1可承受污染等级1和2的环境。 最后、我们知道 TPSI2140-Q1封装的材料分类、PCB 材料类型有一定的自由度。 下一步是参考 IEC 标准60950、以了解此系统的爬电距离要求。 以下是该标准的摘录、其中涵盖了与我们相关的爬虫：
表2. 1000V 爬电要求、符合 IEC 60950-1表2N
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最小爬电距离(mm) |
||||
|
工作电压(V) |
污染等级1 |
污染等级2 |
||
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所有材料组 |
材料组 I |
材料组 II |
材料组 III |
|
|
1000 |
3.2 |
5.0 |
7.1 |
10.0 |
TPSI2140-Q1封装上两个爬电距离中较短的一个是6.04mm。如果 PCB 采用 I 类材料制造、则在不进行修改的情况下、此设计将满足污染等级1环境和污染等级2环境的要求。 对于属于第2组或第3组的 PCB 材料、为了满足要求、必须对电路板进行物理修改。 一个选择是在电路板上钻孔、如下所示：
图6. 修改了 TPSI2140-Q1封装、带插槽
TPSI305x-Q1爬电距离和间隙概述
TPSI305x-Q1具有8.5mm 的爬电距离和间隙。这与 TPSI2410-Q1的不同之处在于仅在初级侧和次级侧之间进行测量。 这是因为次级侧任何两个引脚之间的最高工作电压差不会超过15V、或器件的栅极驱动规格。 与 TPSI2140-Q1类似、该封装属于材料组 I、且额定污染等级为2、因此对于给定的工作电压、PCB 材料是爬电要求的决定性因素。 将 TPSI305x-Q1置于 TPSI2140-Q1示例中的1000V 设置中、材料组1和2的 PCB 将满足爬电要求、但需要对组3进行修改。
结论
爬电距离和间隙分别是两个金属触点之间的表面和穿过空气的距离。 高电压设计中对每种器件都有降低电子材料电弧和碳化风险的要求。 这些距离取决于工作电压、污染程度和材料组别分类。 虽然无法避免行业要求、但有一些方法可以通过物理电路板改造(例如陷波和槽)来降低爬电距离、并以保形涂层的形式减少污染等级。 在高电压应用中进行设计时、请务必参考 IEC 标准、尤其是因为这些设计更靠近电动汽车和 EV 充电中的人接触。
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应用简报- 满足更高汽车类隔离爬电距离和间隙需求的解决方案
TI 高精度实验室视频- 什么是爬电和间隙？
