故障モード 2：テスト結果

電流または電力の安全制限パラメータに反するストレス条件下で、テキサス・インスツルメンツの強化絶縁技術が「フェイル オープン」動作することを検証するために、複数のテストを実行しています。実験 1 と 2 には、強化絶縁型ゲート ドライバ ISO5851 と、強化絶縁型クワッド チャネル デジタル アイソレータ ISO7841 を選択しました。

実験 1 では、アイソレータの出力ピンを短絡させ、アイソレータが機能しなくなるまでアイソレータの電源電圧を上昇させました。

実験 2 では、サージ ジェネレータを用いて、アイソレータの一方に高電圧 (1kV と 2kV) を繰り返し印加しました。これは、モーター駆動、ソーラー インバータ、その他の同様のアプリケーションにおいて、高電圧 DC バスへの短絡が及ぼす影響をシミュレートするためのものです。

テキサス・インスツルメンツはまた、ISOM8710 フォトカプラ エミュレータなどの製品向けに、入力ダイに新しい「フェイル オープン」機能を実装しました。ここで行われる絶縁は、図 8 に示すように、3 つのダイによるソリューションに基づいています。この新機能により、入力側で EOS イベントが発生した場合でも、絶縁障壁と出力ダイが確実に保護されます。図 9 は、入力フェイル オープン IP を備えた、3 つのダイを持つフォトカプラ エミュレータの断面図を示します。

図 8 3 つのダイを持つアイソレータの一方に高電圧ストレスが印加されています。フェイル オープン (FO) IP 付きで設計された左側のダイは、EOS イベントが発生した場合に ISO ダイと右側のダイの完全性を確保します。

図 9 フェイル オープン IP を備えた、3 つのダイを持つフォトカプラ エミュレータの断面図

フェイル オープン機能を実証するために、実験 3～5 では 3 種類の EOS を持つ入力ダイにストレスを加え、ストレス後の絶縁完全性を調べました。

実験 3 では、室温と高温で入力側 (アノードとカソードの間) に、異なるソース インピーダンスを介して DC 電源を使用して 10 分間 EOS 電圧を印加して、入力ダイをフェイル オープンさせました。これは、システムがシャットダウンするまで持続する DC-EOS イベントをエミュレートするものです。次に、オープン デバイスにEOS ストレスを長時間加えても入力ダイがフェイル オープンのまま維持されることを確認するために、EOS を 12 時間印加しました。最後に、絶縁障壁に対する Ramp-to-Breakdown (RTB) (絶縁破壊まで電圧を上昇させる) テストを実施し、左側のダイの EOS イベントによって機能不良が発生した後の絶縁の完全性をチェックしました。図 10 に、絶縁障壁を通して高電圧ストレスを印加する RTB の設定を示します。

図 10 絶縁障壁に対する Ramp-to-Breakdown (RTB) (絶縁破壊まで電圧を上昇させる) テスト

実験 4 では、EOS 入力を実験 3 から 変更して同様のテスト手順を行いました。コンデンサ放電が絶縁の入力側に及ぼす影響を調べるために、事前に充電されたコンデンサを接続しました。

実験 5 では、入力側に電流源を印加し、入力側がフェイル オープンになるまで電流を上昇させました。実験 3～5 は、上記のアプリケーションで入力側への DC 電源バスの短絡をシミュレートしています。

AMC23C10 などの絶縁型コンパレータの出力ダイのピン (VDD、OUT1、OUT2) にもフェイル オープン機能が実装されており、図 6 に示すように、単一ダイの強化絶縁コンデンサ方式に基づいて絶縁されています。EOS イベントによる出力ダイの機能不良が発生した後、入力ダイと絶縁がともに損なわれていないことを確認するために、これらの部品で実験 3～5 を実施して、結果を表 1 にまとめました。

表 1 は、これらの実験結果を示したものです。すべての場合において、大電力ストレスの後、サイド 1 とサイド 2 の間ですべてのアイソレータが高インピーダンスを維持しました。つまり、「フェイル オープン」しています。さらに、ISO5851 と ISO7841 は、基本絶縁定格 3kVRMS で 60 秒間テストしました。すべてのデバイスは、絶縁破壊を起こすことなくこの電圧に耐えることができました。ISOM8710 ではさらに、ストレスの後、油中で絶縁破壊まで電圧を上昇させるテストを行いました。つまり、大電力テスト後も基本絶縁は保持されていたのです。さらに過酷な条件でのテストとして、ゲート ドライバとデジタル アイソレータの各ユニットに、正負両極性の 2kV サージ インパルスをそれぞれ 50 回ずつ印加しました。このような厳しいストレスの後でも、アイソレータはサイド 1 とサイド 2 の間で高インピーダンスを維持し、基本絶縁を維持し、フェイル オープンしていました。

大電力ストレスの印加後、内部状態を確認するために、一部のデバイスの封止を解除し、写真を撮影しました (図 11 および 図 12 参照)。結果は、故障分析からの予想と一致しています。大電力ストレスを受けているダイは著しく損傷しましたが、絶縁コンデンサ 1 つを備えた少なくとも 1 つのダイは完全に保持されています。このダイが観察されていた「フェイル オープン」特性に関与していたのです。ISO5851 の場合、3 つのダイを持つモジュールであるため、ゲート ドライバ ダイが損傷しただけで、絶縁障壁への損傷は最低限に留まりました。