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用于静电放电 (ESD) 保护的高压二极管
在不断发展的电子设计领域，保护敏感电路免受瞬态电压事件的影响已成为可靠性工程的基石。
用于高压电子设备静电放电保护的高压二极管
工程答案
静电放电 (ESD) 是指不同电位物体之间电荷的突然转移——在空气中可达 15–25 kV，在恶劣环境下可达 30 kV。在高压电子设备中，保护链必须在原本就很高的工作电压之上处理这些瞬态电压，因此普通的低压瞬态电压抑制 (TVS) 器件不足以胜任。快速恢复 HVD二极管堆 串联钳位网络在放电到达敏感电路之前将其分流。
- 保护 PIV 的大小应为最坏情况下的 ESD 电压加上工作母线电压——在正常运行期间导通的钳位不是钳位，而是故障。
- 使用快速恢复二极管，使钳位在纳秒内响应，并且在放电上升时间内不会产生振铃。
- 将钳形电极尽可能靠近受保护的节点放置；钳形电极和电路之间的导线电感是残余尖峰的产生点。
抽象
静电放电 (ESD) 在工业、汽车和现场环境中每天都会发生，其千伏级瞬态电压并不受电路工作电压的限制。保护高压电子设备需要一套与 5V 电路不同的工具：二极管组需要具备足够的峰值反向电压 (PIV)、足够快的恢复速度以及足够的浪涌吸收能力，以吸收放电而不造成损坏。本文将解释 ESD 威胁模型、钳位设计方程，以及高压电压二极管 (HVC) 和相关元件如何保护高压电子设备。
1. 应用背景：千伏级电压威胁真实存在
高压设备中的静电放电事件来源于操作人员、电缆以及绝缘体和滤波器上的电荷积累。IEC 61000-4-2 型号通过 330 Ω 电阻对 330 pF 电容器进行放电，接触电压最高可达 8 kV（4 级），产生上升时间为 0.7–1 ns、峰值为 30 A 的电流脉冲。当被保护电路本身的工作电压为 1–10 kV 时，保护装置必须阻断工作电压，同时还要钳位高于该电压的瞬态电压。
耐压电压和损坏电压之间的差距就是保护窗口——在高电压下，相对于工作点而言，这个窗口要窄得多，因为放电电压是随环境变化的，而不是随电路变化的。
三、技术要求
2.1 PIV 有净空。 保护二极管必须阻隔工作母线电压和静电放电瞬态电压之和。具有单元件峰值反向反转裕量的二极管堆可以分散瞬态电压，避免单个结吸收所有电压：
2.2 恢复速度。 IEC 61000-4-2 电流上升时间不到一纳秒。慢恢复二极管启动较晚，在钳位电路接合之前，会先让几百伏电压通过：
2.3 浪涌能力。 钳位电路每次都能吸收全部放电能量。二极管必须能够承受反复的浪涌冲击而不发生参数漂移——单次事件额定值不足以满足每周都会遭受静电放电的现场设备的需求：
2.4 免疫等级和测试级别。 静电放电防护等级是根据威胁等级来规定的，该等级应与环境相匹配。IEC 61000-4-2 标准定义了接触放电等级，范围从 2 kV（1 类，受控环境）到 8 kV（4 类，工业地面），而空气放电等级则可达 15 kV 及以上。防护窗口必须在产品认证的最高等级范围内关闭：
设计标准高于环境等级会增加成本；设计标准低于环境等级则会导致收益损失。将夹具与认证目标相匹配并做好记录，是合规性文件的一部分，而不仅仅是原理图。
图 1 — 高压节点上的 ESD 钳位。快速恢复的 HVD 堆叠层在纳秒内即可导通，并将节点保持在损伤极限以下，同时吸收 10.6 mJ 的能量。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 控制板在工厂车间发生故障。 “每年冬天，我们都会因为操作员静电放电而损失电路板；栅极上的瞬态电压抑制器 (TVS) 额定电压为 40V，但母线电压为 2kV，放电直接穿过母线。” 低压 TVS 无法阻断运行中的母线。在母线上方加瞬态电压抑制器 (PIV) 的高压放电 (HVD) 堆栈中设置了脉冲反向电压 (PIV) 钳位电路，从而钳位了节点，冬季故障就此停止。
疼痛 2 — 夹环和闸门仍然看到尖峰。 “我们的保护二极管响应速度太慢；脉冲的前100纳秒直接传递到栅极。”引线电感和缓慢的恢复速度共同导致了有害的泄漏尖峰。短引线加上快速恢复的高压二极管（HVD）器件可以将泄漏电流降低到栅极额定值以下。
痛苦 3 — 防护效果会随着反复受到攻击而减弱。 “经过一年的放电后，钳位器件开始在错误的电压下导通。”浪涌损伤导致二极管参数发生变化。具有单元件裕量的浪涌额定高电压二极管（HVD）器件在超过10,000次事件中未发生漂移，经定期参数检查验证。
4. 选择参数
| 职务 | 推荐的HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 节点夹紧/保护 | HVD二极管堆 | PIV 5–20 kV | 快速恢复，高峰值，纳秒级响应 |
| 母线在夹具处解耦 | 高压陶瓷圆片电容器（N4700） | 1–10 kV | 低电感，PD ≤ 5 pC |
| 串联/均衡电阻 | HVR扁平电阻器 | 5–35 kV | 非感应式，±1% |
| 门/信号保护 | HVD快速二极管 | PIV 至 10 kV | 超快恢复速度，低电容 |
| 保护装置 | PIV到达 | 响应 | 反复打击的生活 | 高压适用性 |
|---|---|---|---|---|
| 低压电视 | 至约500伏 | < 1 ns | 良好 | 不能阻塞高压母线 |
| 火花隙 | 千伏范围 | 微秒（慢，不精确） | 侵蚀严重 | 粗大高压钳 |
| HVD二极管堆 | 5–20 kV | < 1 ns | 优秀（抗浪涌） | 高压节点钳 |
| HVD + N4700 解耦 | 5–20 kV | < 1 ns，低峰值 | （卓越）等级 | 首选高压解决方案 |
甄选指南。 首先确定认证级别，然后进行如下调整：截止电压必须留有余量以清除总线电压，钳位电压必须低于栅极或集成电路损坏阈值，恢复时间必须足够短以适应放电上升时间。对于高压节点，应使用二极管堆叠，并通过串联元件和均衡电阻来实现峰值反向电压 (PIV)，这样瞬态电压就能在整个堆叠上分摊，而不是集中在一个结上。要求提供浪涌循环测试数据，而不仅仅是单脉冲额定值，并且要确保钳位器在物理上靠近其保护的节点。
5. HVC解决方案
① 首先用夹子挡住公交车。 HVC HVD 二极管堆的 PIV 额定值高于您的工作电压加上 ESD 瞬态，因此钳位在正常工作期间保持关闭状态，仅在放电到达时才会接合。
② 速度足够快，可以达到纳秒脉冲。 快速恢复结可在纳秒内接合，低电感封装可将泄漏尖峰保持在受保护栅极的损坏极限以下。
③ 经受住了现实世界的考验。 现场设备中反复发生的静电放电事件是常态；具有单元件浪涌裕量的 HVD 部件可承受 10,000 次以上的冲击而不会发生参数漂移。
6. 工程案例研究（参考资料）
一家工业逆变器OEM厂商发现其1.5 kV产品线的栅极驱动板在冬季出现静电放电（ESD）故障。原有的保护装置是40 V瞬态电压抑制器（TVS）。将其更换为高压放电钳位电路（峰值反向电压8 kV）、低电感N4700去耦电容和短PCB引线后，一年多的现场测试数据如下：
| 测量参数 | 之前 | 后 |
|---|---|---|
| 闸门驱动板故障（冬季） | 7%的机队 | 0.3%的机队 |
| 门端泄漏尖峰 | 74伏 | 12伏 |
| 钳制恢复时间 | 3.2 微秒 | 0.6 纳秒 |
| 10,000 次事件后的钳位漂移 | −11％ | <1％ |
案例讨论。 对原始设备制造商 (OEM) 而言，冬季故障统计数据至关重要：当操作员静电放电 (ESD) 较为常见时，7% 的设备发生故障，而解决方案是更换保护组件，而非工艺变更。74V 的漏电电压泄漏到额定电压远低于此值的栅极，这解释了为什么瞬态电压抑制器 (TVS) 无法起到保护作用。当钳位电路在纳秒内接合并将节点电压保持在损坏极限以下时，电路板就能按照其设计方式经受住考验——设备故障统计数据也随之下降。
7. 设计考虑
- 阻塞总线，钳位瞬态信号： 耐压电压必须超过工作母线电压并留有余量；钳位电压必须保持在损坏阈值以下。
- 短线领先优势最终获胜： 每增加纳亨的引线电感，每安培每纳秒就会使漏电流尖峰增加 30 伏。
- 快速恢复至关重要： IEC 61000-4-2 脉冲上升时间不到一纳秒；慢二极管启动较晚，让前沿通过。
- 检测重复命中： 单次评级是不够的；通过参数检查验证钳位能否承受 10,000 次以上的事件。
- 在夹具处解耦： 在受保护节点处放置一个低电感电容器，可以为快速的 di/dt 提供局部路径，并防止尖峰电流进入线路。
8。 参考
- IEC 61000-4-2:2008， 电磁兼容性 (EMC) — 第 4-2 部分：测试和测量技术 — 静电放电抗扰度测试. 瑞士日内瓦：IEC。
- IEC 61340-5-1:2016， 静电学——第 5-1 部分：电子设备免受静电现象影响的保护——一般要求. 瑞士日内瓦：IEC。
- A. 格林伍德 电力系统中的电瞬变，第二版。美国纽约州纽约：Wiley，1991。
- 意法半导体, 静电放电防护——应用说明瑞士日内瓦：意法半导体。
- SM Sze 和 KK Ng， 半导体器件物理学，第三版。美国新泽西州霍博肯：Wiley，2007 年。