Broadcoms 15 mm breda ACNT-optokopplare för högspänningstillämpningar

Inledning

Broadcoms ACNT-optokopplarserien har 15 mm krypsträcka och 14,2 mm frigång för isoleringstillämpningar med högspänning. Dessa optokopplare ger 2 262 V_PEAK arbetsisoleringsspänning och 12 000 V_PEAK transient överspänning i ett SO-8-paket med kompakt förlängd ytmontering. ACNT-optokopplare består av omfattande produkttyper för att möta de olika kraven och funktionerna för galvanisk isolering. Dessa är ACNT-H343 optokopplare för gate-drivenhet, ACNT-H61L 10 MBd digital lågeffektsoptokopplare, ACNT-H790/H79A/H79B isoleringsförstärkare med hög linjäritet för strömavkänning, ACNT-H870/H87A/H87B spänningsavkänning och ACNT-H50L/H511 analog låghastighetsoptokopplare. I exemplet med en trefasväxelriktare som omvandlar DC-AC-ström till en last (motor) markerar figur 1 de olika isoleringsplatserna och syftet med varje produkttyp av ACNT-optokopplare. ACNT-optokopplare är tillförlitliga och lätta att använda.

Figur 1: ACNT-optokopplare för olika isoleringsbehov i en växelriktare. (Bildkälla: Broadcom Limited)

Trend och krav för högspänning

I marknadssegmenten för förnybar energi (sol eller vind), traktion och vårdsystem finns det en trend för högre likspänning i buss eller immunitetskrav för hög transientspänning. De nya sol-/PV-systemen har antagit 1 500 V_DC från 1 000 V_DC. Den här uppgradering har fördelarna högre energieffektivitet och lägre kostnader.

En bidragande faktor för båda dessa fördelar är att fler PV-block per sträng (en längre sträng med PV-matriser) kan formas. Combinerboxar konsoliderar inkommande effekt till en huvudmatning. Med längre och färre PV-strängar minskar behovet av combinerboxar. Den högre ingångslikspänningen minskar även strömförlusten i ledningar (koppar). I helhet har 1 500 V-systemet färre anslutningar mellan PV-strängmatriser och växelriktare jämfört med system med 1 000 V eller lägre likspänning. Den högre effekttätheten och mindre utrustning minskar också arbetsunderhållskostnaderna. En utmaning med 1 500 V-systemet är elsäkerheten och det kompletta utbudet certifieringsstandarder för komponenter. Isoleringen mellan styrmodulen och strömprodukterna måste kunna tåla högspänning (stationär och transient) och den relevanta krypsträckan (figur 2). Broadcoms 15 mm breda ACNT-optokopplare kan möta dessa krav.

Figur 2: PV-kraftgenereringssystem – 1 500 V. (Bildkälla: Broadcom Limited)

I vindlösningen för förnybar energi-segmentet blir ACNT-optokopplare allt mer populära i europeiska länder som en del av nationella program med förnyelse av distributionsnät för att ersätta kärnkraftverk med förnybara resurser.

Figur 3 visar isoleringen av frekvensomvandlaren med hjälp av den 15 mm breda ACNT-H61L 10 MBd lågeffektsoptokopplaren. Dessa komponenter isolerar kontrollen och felåterkopplingssignaler mellan lågspänningskontroll och högspännings-IGBT:er. I ett annat undersegment av elnätet blir mätning för distributionsledningar med låg- och mellanspänning mer avancerad som en del av införandet av smarta nät. Bredare krypsträcka krävs i trefasen (>400 V_AC-mätning) för säkerhet och högspänningsisolering för datakommunikation. Säkerhet är också viktigare i det smarta nätet. Den långsiktiga tillförlitligheten hos den analoga låghastighetsoptokopplaren, ACNT-H50L, hjälper till att säkra isolerad datakommunikation.

Figur 3: Förnybar energi – frekvensomvandlare för vindlösningar. (Bildkälla: Broadcom Limited)

Ett annat exempel på högspänningstillämpning är traktionskontrollen i lätt spårtrafik- eller monorail-system. I dessa system används ACNT-optokopplare i DC-DC-omvandling med 1 500 V. Figur 4 visar en monorail-effektomvandlare med 1 500 V_DC-busspänning. Det finns fyra digitala optokopplare för den isolerade högspänningen – kontrollgränssnitt för lågspänning och två isoleringsförstärkare för spänningsavkänning för isolerad spänningsnivåkontroll och de analoga låghastighetsoptokopplarna för isolerad I/O-kommunikation för att ge högspänningsisolering för tillförlitlighet och robusthet i miljön med högt brus.

Figur 4: Effektomvandlare i traktionstillämpningar. (Bildkälla: Broadcom Limited)

I hälso- och sjukvårdsystem föreskriver den 4^:e utgåvan av den medicinska standarden IEC 60601-1-2 en högre nivå av elektrostatisk urladdning (ESD) för kontakt- och luftuttagstyper. Detta ESD-immunitetstyptest tillämpas mellan avkänningskretsarna (t.ex. blodtryck, EKG), där patienten är i direkt kontakt med utrustningen och styrkortet för en patientmonitor. ACNT-H61L uppfyller det är reviderade kravet med transient överspänning på 12 000 V_AC. Dess breda krypsträcka och frigång tillåter en bredare isoleringslucka och minimerar ljusbågar.

Revidering av regelstandarder

Strängare krav för krypsträcka och frigång blev resultatet vid harmoniseringen av internationella UL- och IEC-standarder. Från 2016 övergår UL 508C (effektomvandlingsutrustning) till IEC 61800-5-1 (eldrivsystem med justerbar hastighet). Bredare krypsträcka och frigång för en ny drivmodell behövs för att upprätthålla samma klassningsspecifikation. Till exempel krävs minst 13,8 mm krypsträcka och frigång för förstärkt isolering för 690 V_AC-klassning.

I medicinska system har ACNT-optokopplare fördelar i hanteringen av transient överspänning med hög ESD-immunitetsurladdning som behövs över en isoleringsbarriär. I en patientmonitor tillämpas ESD-immunitetstyptestet mellan avkänningskretsarna (t.ex. blodtryck, EKG), där patienten är i direkt kontakt med utrustningen och styrkortet för enheten. För att hantera dagens hot från elektromagnetiska störningar (EMI) för medicinska enheter som i allt högre grand används utanför sjukhus finns den fjärde utgåvan av standarden för medicinsk elutrustning, IEC 60601-1-2, som ökar nivåerna för ESD-immunitetsurladdning vid testning av medicinska enheter (figur 5). ACNT-H61L i patientmonitorer har fördelen med en hög transient överspänning på 12 000 V_PEAK, och dess 15 mm breda krypsträcka och frigång tillåter en bredare isoleringslucka för att minimera ljusbågar.

Figur 5: Möta det stora behovet av hög isoleringsspänning i medicinska system – ACNT-H61L. (Bildkälla: Broadcom Limited)

ACNT-optokopplare från Broadcom

Broadcoms optokopplare har utmärkta prestanda och står emot högspänningsrusningar (1,2 µs / 50 µs spänningsvågform). Enligt komponentsäkerhetsstandarden IEC 60747-5-5 godkänns Broadcoms ACNT-optokopplare för mer än 25 kV. Kravet är ingen punktering eller partiell nedbrytning av fast isolering vid mindre än 5 pC partiell urladdning. Enligt figur 6 testas ACNT-H50L i icke-luftförhållanden för att ta bort elektriska ljusbågar vid högspänningsrusning (ref. TUV-testresultatrapport).

Figur 6: Broadcoms optokopplare möter högspänningsrusning enligt IEC 60747-5-5. (Bildkälla: Broadcom Limited)

Sammanfattning

ACNT-H343 är en nyligen släppt 5 A optokopplare för gate-drivenhet i ett 15 mm SSO-8-paket utformat för industritillämpningar med högspänning och utrymmesbegränsningar, som inkluderar 690 V_AC-motordrivenheter och 1 500 V solcellsdrivna växelriktare. ACNT-H343 har common mode-transientimmunitet (CMTI) som är större än 100 kV/μs, vilket förhindrar fel gatedrivkretsar i bullriga miljöer. Enheten har minimal utbredningsfördröjning och är tre gånger snabbare än tidigare genereringsenhet som möjliggör högfrekvensväxling för att förbättra effektiviteten i drivningen av IGBT:er bipolära transistorer med isolerat styre) och SiC/GaN MOSFET.

ACNT-H61L är en 10 MBd digital lågeffektsoptokopplare som bara kräver 4,5 mA minimum för LED-drivström där detektor-IC-kretsen förbrukar 2 mA maximum I_DD i driftstemperaturintervallet. Utgången för detektor-IC-kretsen är en CMOS-utgång. Den interna Faraday-skärmen ger en garanterad CMTI-specifikation på 20 kV/μs. ACNT-H61L passar för kommunikation och kontroll för isolerat logiskt gränssnitt i effektomvandlingssystem med hög- eller transientspänning.

ACNT-H50L/H511 är en enkanalig 1 MBd optokopplare med transistorutgång för öppen kollektor. Separata anslutningar för fotodiodbias och utgångstransistorkollektor ökar hastigheten med upp till hundra gånger jämfört med en konventionell fototransistor genom att minska baskollektorkapacitansen. ACNT-H50L/H511 passar för tillämpningar analog låghastighetsåterkoppling, isolerad felåterkoppling och effektstyrningsåterkoppling.

ACNT-H87B (±0,5 % förstärkningstolerans), ACNT-H87A (±1 % förstärkningstolerans) och ACNT-H870 (±3 % förstärkningstolerans) spänningssensorer är optiska isoleringsförstärkare som utformats specifikt för spänningsavkänning. Dess 2 V ingångsomfång och höga 1 GΩ ingångsimpedans uppfyller kraven för isolerad spänningsavkänning i tillämpningar för elektronisk effektomvandling. I en typisk spänningsavkänningsimplementering används en resistiv spänningsavdelare för att skala DC-länkspänningen så att den passar ingångsomfånget för spänningssensorn. En differentiell utspänning som är proportionell mot inspänningen skapas på den andra sidan av den optiska isoleringsbarriären.

ACNT-H79B (±0,5 % förstärkningstolerans), ACNT-H79A (±1 % förstärkningstolerans) och ACNT-H790 (±3 % förstärkningstolerans) isoleringsförstärkare har utformats för ström- och spänningsavkänning i tillämpningar för elektronisk effektomvandling. Dessa optokopplare ger den precision och stabilitet som behövs för att exakt övervaka motoreffekt i mycket bullriga motorstyrningsmiljöer, vilket ger smidigare styrning (mindre ”ryckigt vridmoment”) i olika typer av motorstyrning. Kombinerat med överlägsen optisk kopplingsteknik använder ACNT-H79B/H79A/H790 Sigma-Delta (∑-∆) analog till digital-modulering, chopper-stabiliserade förstärkare och en fullständigt differentiell kretstopologi för att ge ojämförbar brusavvisning i isoleringsläge, låg förskjutning, hög förstärkningsprecision och stabilitet.