电流或电容隔离器周围的电场分级保护设计的制作方法

电流或电容隔离器周围的电场分级保护设计
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年5月29日申请的、代理人案卷no.g0766.70303us00、和发明名称为“电流或电容隔离器周围的电场分级保护设计”的美国专利申请序列no.16/887,719的权益，其全部内容通过引用并入本文
技术领域
3.本技术涉及在电路之间提供电流隔离的隔离器。


背景技术：

4.隔离器在相互通信的电路之间提供电隔离。在一些情况下，彼此通信的电路在不同的电压下工作，例如一个在相对高的电压下而另一个在较低的电压下。在某些情况下，电路可以或可以不在彼此不同的电压下工作，但参考不同的接地电位。隔离器可用于在上述任一情况下对电路进行电气隔离。


技术实现要素：

5.根据本技术的一个方面，描述了表现出增强的隔离击穿电压的微隔离器。微隔离器可以包括围绕微隔离器的隔离器元件之一的电浮环。隔离器元件可以是电容器板或线圈。围绕隔离器元件之一的电浮环可以减少隔离器元件外缘处的电场，从而提高隔离击穿电压。
6.根据一些实施例，提供一种具有增强的隔离击穿电压的微隔离器，包括：第一平面中的第一隔离器元件；第二平面中的第二隔离器元件；第一介电材料，包括聚合物，设置在所述第一和第二隔离器元件之间；和电浮环，设置在所述第一平面中并围绕所述第一隔离器元件。
7.根据一些实施例，一种具有增强的隔离击穿电压的微隔离器包括：设置在相应平面中的第一和第二隔离器元件；介电材料，包括聚合物，设置在所述第一和第二隔离器元件之间；和与所述第一隔离器元件共面并围绕所述第一隔离元件的电浮环。
8.根据一些实施例，一种隔离系统包括：第一设备，被配置为在第一电压域中操作；第二设备，被配置为在第二电压域中操作；隔离器，耦合在所述第一设备和所述第二设备之间，并且包括围绕一对垂直分离的隔离器元件中的第一隔离器元件的电浮环。
附图说明
9.将参考以下附图描述本技术的各个方面和实施例。应当理解，这些数字不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在其出现的所有图中用相同的附图标记表示。
10.图1a示出了根据本技术的非限制性实施例的具有两个隔离器元件的微隔离器的截面图，其中一个隔离器元件周围具有浮动导电环。
11.图1b是沿着图1a的线1b-1b截取的图1a的微隔离器的俯视图。
12.图2示出了根据非限制性实施例的替代微隔离器。
13.图3示出了根据本技术的非限制性实施例的包括多个浮动导电环的替代微隔离器的截面图。
14.图4示出了根据替代实施例的替代微隔离器的截面图，其中浮动导电环没有被封装隔离器元件104a的相同非线性介电材料封装。
15.图5示出了根据本技术的非限制性实施例的替代微隔离器的截面图，其中填充隔离器元件和浮动导电线圈之间的间隙的非线性电介质材料是与封装隔离器元件的材料不同的材料。
16.图6示出了根据本技术的非限制性实施例的替代微隔离器的截面图，其中围绕隔离器元件的浮动导电环具有与隔离器元件不同的高度。
17.图7示出了根据本技术的非限制性实施例的具有由多个浮动导电环围绕的蛇形隔离器元件的微隔离器的俯视图。
18.图8示出了根据本技术的非限制性实施例的具有围绕隔离器元件的分段浮动导电环的微隔离器的俯视图。
19.图9示出了根据本技术的非限制性实施例的具有围绕顶部和底部隔离器元件的浮动导电环的微隔离器的截面图。
20.图10是示出包括本文所述类型的隔离器的系统的示例的框图。
具体实施方式
21.根据本技术的一个方面，隔离器元件定位在电浮动导电环内，在它们之间具有非线性介电材料。在一些实施例中，隔离器元件是线圈，而在其他实施例中它是电容器板。在一些实施例中，隔离器元件和电浮动导电环都由介电材料封装，在一些实施例中，介电材料可以是隔离器元件和电浮动导电环之间的相同的非线性介电材料。在一些实施例中，隔离器元件由非线性介电材料封装，而电浮动导电环不是。在一些实施例中，隔离器元件由不同于隔离器元件和电浮动导电环之间的非线性电介质材料的电介质材料封装。根据一些实施例，多个电浮动导电环可以围绕隔离器元件。它们可以具有与隔离器元件相同的高度或不同的高度。在一些实施例中，包括两个隔离器元件的隔离器包括围绕每个隔离器元件的一个或多个电浮动导电环。
22.下面进一步描述上述方面和实施例以及附加方面和实施方式。这些方面和/或实施例可以单独使用、全部一起使用，或者以两个或更多个的任意组合使用，因为本技术在这方面不受限制。
23.图1a示出了具有两个隔离器元件的微隔离器的截面图，其中一个隔离器元件周围具有浮动导电环。微隔离器100包括基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环106、电介质层108、非线性电介质110和电介质层112。
24.在该非限制性示例中，第一隔离器元件104a和第二隔离器元件104b是线圈。因此，微隔离器100可以作为感应微隔离器工作，并且可以是变压器。第一隔离器元件104a和第二隔离器元件104b可以由诸如金、铝或铜的金属制成。在一些实施例中，第一隔离器元件104a和第二隔离器元件104由不同的材料制成。例如，隔离器元件104a可以由金制成，并且隔离器元件104b可以由铝制成。在一些实施例中，它们可以由相同的材料制成，例如由相同的金
属制成。
25.浮动导电环106可以由金属制成。在一些实施例中，浮动导电环106可以由与第一隔离器元件104a相同的金属制成。例如，它们可以由相同的金属层图案化，但并非所有实施例都限于此。第一隔离器元件104a和浮动环106可以由金制成。第一隔离器元件104a和浮动导电环106具有高度h。在该非限制性实施例中，它们具有相同的高度，尽管替代方案是可能的，下面将进一步描述示例。如图1b所示，可以在第一隔离器元件104a的端部与第一隔离器元件104a电接触。
26.图1b是沿着图1a的线ib-ib截取的微隔离器100的俯视图。如图所示，浮动导电环106围绕第一隔离器元件104a。浮动导电环同心地位于第一隔离器元件104a的外部。与第一隔离器元件104a的电接触在垫114和端部116(其可以是单独的垫)处进行。第一隔离器元件104a可以在端部116附近的浮动导电环106上方或下方通过，以避免电接触。在替代实施例中，浮动导电环106可在第一隔离器元件104a穿过的端部116附近包括断裂或间隙。在一些实施例中，第一隔离器元件104a可以被配置为接收高电压，例如大于200伏、大于500伏、大于1000伏、介于500伏和3.5千伏之间，或者这些范围内的任何范围或值。
27.第一隔离器元件104a和浮动导电环106可以具有任何合适的形状。在图1b的非限制性示例中，它们是圆形的。然而，替代形状是可能的，因为这里描述的各个方面不限于隔离器元件或浮动导电环的特定形状。
28.回到图1a，电介质层108可以是用于将第一隔离器元件104a与第二隔离器元件104b隔离的任何合适的电介质。在一些实施例中，介电层108包括聚合物。例如，它可以是聚酰亚胺。在一些实施例中，介电层可以包括多层。例如，介电层108可包括两层或更多层聚酰亚胺，或聚酰亚胺层和第二类型介电层。
29.第一隔离器元件104a和浮动导电环106在平面内由间隙g隔开。间隙g可以具有任何合适的距离。浮动导电环106用于减少第一隔离器元件104a的外边缘处的电场积累，并且可以执行平滑第一隔离器元件104a和周围结构之间的电压的分级功能。结果，与省略浮动导电环106的情况相比，微隔离器100的击穿电压增加。可以选择g的值以提供期望水平的电场减小。如果g太大，则浮动导电环106可不会有意义地减小第一隔离器元件104a的最外边缘处的电场。如果g太小，则第一隔离器元件104a和浮动导电环106之间可发生击穿。在一些实施例中，g可以在0.5微米至10微米的范围内，包括该范围内的任何值。其他值也是可能的。
30.间隙g填充有非线性电介质110。非线性电介质110可以是相对导电的绝缘体，以帮助浮动导电环106的电场分级功能。在一些实施例中，非线性电介质110是化学计量的氮化硅(sini.33)或非化学计量的硅氮化物(sin，x不等于1.33)。替代品包括氮氧化硅(sionx)、掺杂非晶硅(a-si:h)、掺杂无定形碳(a-c:h)，碳化硅(sic)和氧化锌(zno)。当使用掺杂材料时，可以使用任何合适的掺杂来提供导致期望水平的电场分级的导电水平。在一些实施例中，非线性电介质100可以是高k铁电材料，如钛酸钡(batio)、钛酸锶(srtio3)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfc)、二氧化锆(zrc)或氧化铝(al2o3)，因为它们可以表现出类似的电场分级行为。应当注意，在隔离器中包括浮动导电环，而在第一隔离器元件和浮动导电环之间没有非线性电介质，可以降低隔离器的击穿电压，而不是降低它。因此，浮动导电环与隔离器元件和浮动导电环之间的导电非线性介电材料的组合可以提供期望的击穿电压增加。
31.介电层112可以是钝化层。在一些实施例中，介电层112是聚酰亚胺。在一些实施例中，介电层112是氧化物。对于介电层112，替代材料是可能的。
32.现在提供微隔离器100的实施方式的非限制性示例。基板102可以由硅或电介质(例如玻璃)形成。第一隔离器元件104a可以由金形成。第二隔离器元件104b可以由铝形成。浮动导电环106可以由金形成。替代的隔离器元件104a和104b以及浮动导电环106可以由铜形成。介电层108可以由聚酰亚胺形成，并且厚度可以在50微米和200微米之间。非线性电介质110可以由氮化硅形成。介电层112可以由氧化物形成。高度h可以是10微米，并且间隙g可以是1微米。在其他实施例中可以使用其他材料和尺寸。此外，应当理解，如本文所述的微隔离器的一些实施例包括由刚刚描述的特定材料形成的一个或多个元件，但是一个或更多个元件可以由不同的材料形成。
33.从图1和图2中可以看出，在一些实施例中，提供具有增强的隔离击穿电压的微隔离器。微隔离器可以包括位于第一平面中的第一隔离器元件、位于第二平面中的第二隔离器元件、第一介电材料(包括聚合物，例如聚酰亚胺，设置在第一和第二隔离器元件之间)、以及设置在第一平面中并围绕第一隔离器元件的电浮动导电环。第一和第二隔离器元件可以在垂直维度(图1a中的上下方向)上分离，并且第一隔离器元件和浮动导电环可以在第二维度(图1b中的左右方向)上分开。
34.图2示出了根据非限制性实施例的替代微隔离器。微隔离器200与微隔离器100的不同之处在于，微隔离器200是电容性微隔离器，具有电容器板作为隔离器元件。具体地，微隔离器200包括基板102、第一隔离器元件204a、第二隔离器元件204b、浮动导电环206、电介质层108、非线性电介质110和电介质层112。基板102、电介质层108、非线性电介质110、电介质层112、间隙g和高度h先前结合图1a进行了描述，因此在此不再详细描述。
35.第一隔离器元件204a和第二隔离器元件204b是电容器板。它们可以由任何合适的材料形成，例如前面分别结合第一隔离器元件104a和第二隔离器元件104b描述的材料。隔离器元件204a和204b可以具有任何合适的形状。在一些实施例中，它们是圆形的，在其他实施例中是矩形或正方形的，并且在其他实施方式中可以具有不同的形状。浮动导电环206可以围绕第一隔离器元件204a。在一些实施例中，浮动导电环206具有与第一隔离器元件204a相同的形状，例如圆形、正方形或其他合适的形状。浮动导电环206可以由前面结合浮动导电环106描述的任何材料制成。
36.图3示出了根据本技术的非限制性实施例的包括多个浮动导电环的替代微隔离器的截面图。微隔离器300包括基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环306a、306b
…
306n、电介质层108、非线性电介质110和电介质层112。基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、介电层108、非线性介电层110和介电层112在此之前已经结合图1a和1b描述，因此这里不再详细描述。
37.浮动导电环306a、306b
…
306n可以是任何合适的浮动导电环。在材料和尺寸方面，它们中的每一个可以与前面结合图1和图2描述的浮动导电环106基本相同。浮动导电环306a、306b
…
306n具有不同的半径(在xy平面中)，其中浮动导电环306a具有比浮动导电环306b更短的半径，进而又具有比浮动导电环306n更短的半径。浮动导电环306a
…
306b可以相对于彼此同心地定位。
38.可以提供任何合适数量的n个浮动导电环。在图3的实施例中，可以提供两个到十
个浮动导电环。然而，其他数字也是可能的。
39.在一些实施例中，浮动导电环306a
…
306n在材料、间距、高度和宽度方面可以相同。然而，在提供多个浮动导电环的那些实施例中，这些变量中的一个或多个可以在浮动导电环之间变化。例如，在一些实施例中，浮动导电环306a
…
306n中的两个或更多个可以在高度上(在该图中的z方向上)不同。例如，一些浮动导电环可以具有前面描述的高度h，而另一些可以具有更短的高度，如下面结合图6进一步描述的。如图所示，可以在浮动导电环之间提供任何合适的间隙。间隙gl位于第一隔离器元件104a的最外边缘与浮动导电环306a之间。间隙g2位于浮动导电环306a和浮动导电环306之间。在一些实施例中，间隙距离第一隔离器元件104a越远，其尺寸越大。也就是说，间隙尺寸可增加远离第一隔离器元件104a。增加间隙尺寸可以增加浮动导电环之间的电阻，这可以促进电场分级。浮动导电环可以具有宽度w。在一些实施例中，它们具有均匀的宽度。在其他实施例中，宽度可以在浮动导电环306a
…
306n之间变化。
40.图4示出了根据替代实施例的替代微隔离器的截面图，其中浮动导电环没有被封装隔离器元件104a的相同非线性介电材料封装。微隔离器400包括许多先前结合图1和图2描述的相同部件。然而，与图1的微隔离器100不同，微隔离器400被配置为使得非线性电介质110不封装浮动导电环106。这种配置可以用于任何合适的目的。在一些实施例中，通过形成浮动导电环106而不被非线性电介质110封装，可以简化微隔离器的制造。还可以实现其他益处。
41.图5示出了根据本技术的非限制性实施例的替代微隔离器的截面图，其中填充隔离器元件和浮动导电环之间的间隙的非线性介电材料是与封装隔离器元件的材料不同的材料。微隔离器500包括基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环106、电介质层108、非线性电介质110、电介质层112和非线性电介质502。基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环106、介电层108、非线性电介质110和介电层112在此之前已经结合图1a和1b描述，因此这里不再详细描述。
42.在微隔离器500中，非线性电介质110不完全填充第一隔离器元件104a和浮动导电环106之间的空间。在该非限制性示例中，非线性电介质110封装第一隔离器元件104a和浮动导电环106，然而在第一隔离器元件104a和浮动导电环106之间包括第二非线性电介质502。非线性电介质502可以是任何合适的非线性电介质。在一些实施例中，非线性电介质110和非线性电介质502可以表现出类似的性质。在一些实施例中，非线性电介质110和非线性电介质502可以表现出不同的非线性特性。例如，响应于电场，一个可比另一个更强烈地非线性。一个可比另一个更导电。
43.图6示出了替代微隔离器的截面图，其中围绕隔离器元件的浮动导电环具有与隔离器元件不同的高度。微隔离器600包括基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环606、电介质层108、非线性电介质110和电介质层112。基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、介电层108、非线性电介质110和介电层112在此之前已经结合图1a和1b描述，因此这里不再详细描述。
44.浮动导电环606与图1a的浮动导电环106的不同之处在于其高度不同于第一隔离器元件104a的高度。浮动导电环606具有不同于第一隔离器元件104a的高度h的高度hr。可以选择高度hr以简化制造。根据第一隔离器元件104a的高度h，在实践中填充第一隔离元件
104a和浮动导电环之间的间隙可是困难的。使高度hr小于h可以有助于用非线性电介质110填充间隙。高度hr可以小于高度h的90％，例如在高度h的10％和90％之间，在高度h的25％和75％之间，小于高度h的10％，或小于高度h的1％，包括这些范围内的任何值。作为非限制性示例，h可以是10微米，并且hr可以小于1微米，例如大约为10纳米。在一些替代实施例中，hr可以大于h。
45.图7示出了根据本技术的非限制性实施例的具有由多个浮动导电环围绕的蛇形隔离器元件的微隔离器的俯视图。所示的蛇形隔离器元件702可以由本文前面结合第一和第二隔离器元件104a和104b描述的任何材料形成。浮动导电环704是椭圆形或赛道形的，并且可以由本文前面结合浮动导电环106描述的任何材料形成。浮动导电环704的数量不受限制。在该非限制性示例中，包括十个浮动导电环704。浮动导电环704各自围绕蛇形隔离器元件702。浮动导电环702彼此同心地定位。
46.图8示出了根据本技术的非限制性实施例的具有围绕隔离器元件的分段浮动导电环的微隔离器的俯视图。所示的微隔离器包括隔离器元件104a和分段浮动导电环802。隔离器元件104a在此之前已经结合图1a和1b描述，因此这里不再详细描述。分段浮动导电环802围绕隔离器元件104a。分段浮动导电环802包括由间隙gr分隔的多个分段804。分段804的数量和间隙gr的距离可以被选择以提供期望的电场分级水平。
47.虽然图8示出了分段浮动导电环的示例，但另一种替代方案是由多个金属夹杂物形成的环。也就是说，在一些实施例中，具有金属夹杂物的介电材料环可以用作浮动导电环。可以选择金属夹杂物的数量和尺寸以提供期望水平的电场分级。
48.图9示出了根据本技术的非限制性实施例的具有围绕顶部和底部隔离器元件的浮动导电环的微隔离器的截面图。微隔离器900包括基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环106、电介质层108、非线性电介质110、电介质层112和浮动导电环902。基板102、第一隔离器元件104a、第二隔离器元件104b、浮动导电环106、介电层108、非线性电介质110和介电层112在此之前已经结合图1a和1b描述，因此这里不再详细描述。
49.浮动导电环902围绕隔离器元件104b。浮动导电环902可以与浮动导电环106基本相同。然而，在一些实施例中，浮动导电环902可以由与隔离器元件104b相同的材料形成。因此，在一些实施例中，浮动导电环106和902由不同的材料制成。
50.图9示出了微隔离器900可以包括通过焊盘904和电互连结构906对第二隔离器元件104b的电接入。以这种方式，即使焊盘904与第二隔离器单元104b在同一平面内，第二隔离器组件104b的中心也可以电接触。
51.微隔离器900还包括密封剂908。密封剂908可以是树脂或任何其他合适的材料。
52.虽然图1a示出了具有围绕顶部隔离器元件的浮动导电环的微隔离器，并且图9示出了围绕顶部和底部隔离器元件的浮置导电环的实施例，但是微隔离器的替代实施例包括仅围绕底部隔离器元件，可能期望具有围绕隔离器元件的接收高电压的浮动导电环。在一些实施例中，其可以是顶部隔离器元件，并且在一些实施方式中，其可为底部隔离器元件。因此，本文所述类型的浮动导电环可围绕顶部或底部隔离器元件或两者定位。在一些实施例中，微隔离器包括两个或更多个隔离器元件，其中浮动导电环围绕其中一个或多个。
53.本文所述类型的隔离器可以在各种设置中部署，以将电路的一部分与另一部分电隔离。一种这样的设置是在工业应用中。在一些实施例中，隔离器可将电机驱动器与电气系
统的其他部分隔离。在一些实施例中，电机驱动器可以在等于或大于600v的电压下操作(例如，高达3.5kv或更高)，并且可以包括逆变器以将dc信号转换为ac信号。在一些实施例中，电动机驱动器可以包括一个或多个绝缘栅双极晶体管(igbt)，并且可以根据三相配置驱动电动机。
54.另一种这样的设置是在光伏系统中。在一些实施例中，隔离器可以安装在光伏系统中，以将光伏面板和/或逆变器与系统的其他部分隔离。在一些实施例中，隔离器可以安装在光伏面板和逆变器之间。
55.另一种这样的设置是在电动汽车中。在一些实施例中，本文所述类型的隔离器可用于将电动车辆的任何适当部分(例如电池或电动机驱动器)与车辆的其他部分隔离。
56.图10是示出包括本文所述类型的隔离器的系统的示例的框图。系统1000可以包括隔离器1002、低压设备1004和高压设备1006。在一些实施例中，低压设备1002可以包括工作在低于500v的设备。在一些实施例中，高压设备1006可以包括在500v或更高电压下操作的设备。
57.隔离器1002可以使用微隔离器100、200、300、400、500、600或900来实现，并且可以设置在低压设备和高压设备之间。通过将两个设备彼此隔离，用户可以物理接触低压设备而不会受到电击或伤害。低压设备1004可以包括用户接口单元，例如计算机或其他类型的终端，和/或通信接口，例如电缆、天线或电子收发机。高压设备1006可以包括电机驱动器、逆变器、电池、光伏面板或在500v或更高电压下工作的任何其他合适的设备。在高电压装置1006包括电动机驱动器的实施例中，高电压装置1006可以连接到电动机1008。
58.从图10的描述和本文描述的微隔离器的类型中应当理解，本技术的一些实施例提供了一种隔离系统，包括：第一设备，被配置为在第一电压域中操作；第二设备，被配置为在第二电压域中操作；和隔离器，耦合在所述第一设备和所述第二设备之间，并且包括围绕一对垂直分离的隔离器元件中的第一隔离器元件的电浮环。
59.电浮环可以是第一电浮环，并且隔离系统可以进一步包括围绕一对垂直分离的隔离元件中的第二隔离元件的第二电浮环。在一些实施例中，当提供多个浮动导电环时，一个或两个是分段环。在一些实施例中，电浮动导电环可以比其所围绕的隔离器元件短。在任何这样的实施例中，非线性介电材料可以封装由浮动导电环围绕的隔离器元件。
60.本技术的各方面可以提供一个或多个益处，其中一些已经在前面描述过。现在描述这些益处的一些非限制性示例。应当理解，并非所有方面和实施例都必须提供现在描述的所有益处。此外，应当理解，本技术的各方面可以为现在描述的那些方面提供额外的益处。
61.本技术的各方面提供了一种隔离器，其能够承受超过300v(例如，lkv、1.5kv、2kv、2.5kv、3kv和3.5kv)的电压，同时限制电击穿的概率。由于这种击穿概率的降低，隔离器的寿命可以延长。
62.术语“近似”和“大约”可用于表示在一些实施例中在目标值的
±
20％以内，在一些实施方案中在目标数值的
±
10％以内，在某些实施方案中是在目标数值
±
5％以内，但在一些实施方式中是在目标数值的
±
2％以内。术语“近似”和“大约”可能包括目标值。