Öka säkerheten och tillförlitligheten i industriella högspänningstillämpningar med galvaniska isolatorer

Många industriella automationssystem, särskilt i tillverkningsanläggningar, måste anslutas till utrustning som använder högspänning från hundratals till tusentals volt. Halvledarbaserade isolatorer används normalt för att separera dessa högspänningar från mycket lägre 5-volts digitala logiska spänningar som används i de flesta styrsystem. Till exempel används ofta enkla optoisolatorer med dubbla insatser för det här syftet på grund av deras höga motstånd mot transient högspänning och immunitet mot omgivande magnetfält. Dock behöver konstruktörerna teknik som är stabilare över tid och vid extremtemperaturer samt som är mindre komplex ur ett tillverkningsperspektiv.

Den här artikeln förklarar varför och hur du använder enkla galvaniska isolatorer för att ge säker isolation av de höga spänningar som används i moderna system inom industri, medicin och elfordon (EV). Därefter beskrivs två kiselbaserade galvaniska isolatorer från Texas Instruments som inriktar sig på system med hög spänning och hög tillförlitlighet. Sedan visas hur dessa kan ordnas på ett kretskort för att säkert isolera högspänningen från digitalkretsarna i programmerbara logikstyrenheter (PLC:er) och människa-maskin-gränssnitt.

Varför isolera höga och låga spänningar?

Många industrisystem styrs med PLC:er, datorer eller människa-maskin-gränssnitt (HMI:er). Dessa styrsystem arbetar med digitala standardstyrspänningar på 5 volt eller lägre. När dessa system hanterar höga spänningar på 120 volt eller högre är det viktigt att de låga digitala spänningarna separeras fysiskt och isoleras elektriskt från högspänningsutrustningen. Även i kraftomvandlare, DC-DC-omvandlare och elfordon (EV) måste man noggrant separera digitala styrspänningar från spänningar på upp till tusentals volt i systemet.

Krafttransistorer kan enkelt hantera dessa tillämpningar, men de kan inte göra det säkert. Transistorer i dessa tillämpningar har digital- och högspänningsreglering på samma halvledarsubstrat. En felfunktion eller fysisk skada på krafttransistorn kan snabbt leda till att tusentals volt överförs till den digitala logiken. Förutom att det förstör styrutrustningen utsätter det även användaren för risk.

Optisk isolation har historiskt varit den föredragna metoden för fysisk separation och elektrisk isolation mellan låg- och högspänningssystem. En typisk enkel optoisolator med två insatser innehåller en lysdiod på den ena insatsen som avger sitt ljus – normalt infrarött – genom en genomskinlig isolationsbarriär till en fotodiodmottagare på en andra insats. Fotodioden omvandlar detta till en lågspänningssignal som används för att styra högspänningskretsen.

För att en optoisolator säkert ska kunna kontrollera tusentals volt är lysdiodinsatsen och fotodiodinsatsen båda inneslutna i en transparent isolationsbarriär av ett material som kan stå emot optoisolatorns märkspänning.

Optoisolatorer är motståndskraftiga mot transient elektriskt brus och helt immuna mot omgivande magnetfält, vilket gör dem till det bästa valet för motorstyrtillämpningar med hög spänning. Optoisolatorer för tunga drifttillämpningar kan stå emot mycket höga spänningstoppar på 10 000 volt eller mer.

Dock fungerar optoisolatorer inte bra vid mycket höga temperaturer. Dessutom bryts lysdioderna i optoisolatorerna ner med tiden. Optoisolatorer är också komponenter med två chip, vilket är en mer komplex tillverkningsprocess jämfört med halvledare på ett enda chip.

Galvanisk isolation

I tillämpningar där extrema temperaturer kan förväntas och där lång livslängd prioriteras kan galvaniska isolatorer med ett chip användas. Medan optisk isolation åtskiljer två kretsar med lysdioder och fotodioder separerar galvanisk isolation två kretsar elektriskt med laddningskopplade komponenter med kiseldioxidbaserade (SiO₂) kondensatorer eller induktorer. Isolationens effekt är en funktion av SiO₂ som dielektrikum.

Galvaniska isolatorer är enheter med hög hastighet och lång livslängd som är enkla att koppla till de flesta microcontrollers. Nyligen introducerade exempel har vid test visat sig stå emot så mycket som 6 000 volt, kan drivas vid temperaturer upp till 150 °C och har en livslängd på över 35 år. Detta förbättrar systemets säkerhet och tillförlitlighet och minskar underhållskostnaderna.

Till exempel kan Texas Instruments ISO7762FDWR sexkanaliga universella digitala isolator stå emot upp till 5 000 volt RMS (V_RMS) och har en isolationsspänningstopp på 12 800 volt (figur 1). ISO7762 finns med två alternativ: ISO7762F har utgångsstift UT[A:F] med standardutgång logik låg, medan varianten utan suffixet F har en standardutgång som är logik hög.

Figur 1: Texas Instruments ISO7762F är en sexkanalig galvanisk isolator med fyra framåtkanaler och två bakåtkanaler. (Bildkälla: Texas Instruments)

ISO7762F har två effektdomäner, en till vänster och en till höger som åtskiljs elektriskt och fysiskt av ett SiO₂-isolationslager. Varje effektdomän har sina egna oberoende effekt- och jordstift.

Enheten har fyra framåtkanaler och två bakåtkanaler. De två bakåtkanalerna (ingång E och F) tillåter att information från högspänningssystemet skickas till det digitala styrsystemet samtidigt som du behåller en säker isolation mellan de två effektdomänerna. De data som överförs i endera riktningen kan vara enkla digitala på/av-data eller seriedata med en UART eller tvåkanalig I²C.

För varje kanal använder ISO7762F två seriekopplade SiO₂-kondensatorer för att separera de två spänningsdomänerna. Digital data överförs med OOK-modulering (on-off keying) där en logisk etta på någon ingång IN[A:F] representeras av en AC-signal över kondensatorn till den andra effektdomänen och en logisk 0:a representeras av 0 volt. Data på motsvarande UT[A:F] avspeglar den logiska statusen för ingångsstiftet. SiO₂-dielektrikat i kondensatorerna skiljer de två effektdomänerna åt, så att högspänningens styrelektronik säkert isoleras från det digitala styrsystemet.

Konstruktörerna av ISO7762F har betonat hög isolationsresistans för maximal säkerhet. Isolationsresistansen vid 25 °C är klassat till över 1 teraohm (TΩ). Isolationsresistansen för ISO7762F vid 150 °C är högre än 1 gigaohm (GΩ). För att sätta detta i perspektiv är resistansen högre än motståndet i luften omkring ISO7762F.

ISO7762F klassas av Texas Instruments för att hålla minst 37 år, men det galvaniska isolationslagret har en klassad livslängd på över 135 år. Normalt sett behöver utrustning inte ha garanterad drift under så lång tid, så detta indikerar hur tillförlitlig och hållbar enheten är.

För ännu högre spänningstålighet finns Texas Instruments ISO7821LLSDWWR som är en dubbelkanalig differentialisolationsbuffert klassad för 5700 V_RMS med en spänningstopp för isolationen på 12 800 volt (figur 2). De två kanalerna går i motsatta riktningar. Varje kanal är en differentialparsändare som används för datakommunikation med lågspänningsbaserad differentialsignalering (LVDS) med hastigheter upp till 150 megabit per sekund (Mbps).

Figur 2: Texas Instruments digitala isolator ISO7821LLS har två differentialkanaler i motsatta riktningar. Varje utgångsbuffert har en utgångsaktivering som kan avaktivera utgången till ett tillstånd av hög impedans. (Bildkälla: Texas Instruments)

SiO₂ som används för galvanisk isolation i ISO7821LLS är samma ISO7762F förutom att ISO7821LLS har en kondensator för varje kanal istället för två seriekopplade kondensatorer per kanal. Den använder också samma OOK-modulering för att överföra digital data över SiO₂-kondensatorerna.

Den galvaniska isolationsdrivenheten ISO7821LLS kan sända LVDS-data över industriklassade kablar som Beldens robusta, dubbla partvinnade kabel 88723-002500. Det här är en industrikabel med hög kvalitet som har två partvinnade 22 AWG-trådar i en röd mantel. Den är utformad för användning inomhus eller utomhus och kan till och med grävas ner i marken. Den här kabeln kan hantera drifttemperaturextremer på –70 °C till +200 °C, vilket gör den lämplig för tuffa högspänningstillämpningar inom industrin som solenergiväxelriktare i mycket varma eller kalla miljöer. En styrenhet kan överföra LVDS-styrdata i båda riktningar via den här Belden-kabeln till en ISO7821LLS inuti solcellsväxelriktaren. Eventuella högspänningstoppar på grund av fel i växelriktaren stoppas vid isolatorn och skyddar lågspänningsstyrenheten och eventuella mänskliga operatörer nära enheten.

De två utgångarna på Texas Instruments ISO7821LLS har oberoende aktiveringsstift som kan inaktivera sina respektive utgångar genom att försätta dem i ett högt impedanstillstånd. Detta är användbart om enheten ingår i en LVDS-buss med fler än en drivenhet och behöver överlämna bussen till en annan buss-masterenhet. Detta gäller i industrimiljöer där högspänningsutrustning måste användas av fler än en styrenhet på olika platser.

För att hjälpa konstruktörerna att utvärdera ISO7821LLS erbjuder Texas Instruments utvärderingskortet ISO7821LLSEVM (figur 3). Det kräver ett minimum av externa komponenter och kan användas för att utvärdera beteende och prestanda hos ISO7821LLS och tillåter övervakning av LVDS-busskommunikationen i test- och benchmarkingsyfte.

Figur 3: Texas Instruments utvärderingsmodul ISO7821LLSEVM kan användas för att testa och utvärdera LVDS-datakommunikationens prestanda för differentialisolationsbufferten ISO7821LLS med dubbla kanaler. (Bildkälla: Texas Instruments)

Eftersom varje högspänningstillämpning är annorlunda är ISO7821LLSEVM inte avsedd att användas för testning av högspänningsisolationsbeteendet hos ISO7821LLS.

Galvanisk isolatorlayout

Layouten för en galvanisk högspänningsisolator måste utformas mycket noggrant för att säkerställa effektiv isolation. För kretskortsdesign med låg EMI gäller standardlayoutreglerna, vilket inkluderar användning av ett kretskort med minst fyra lager med höghastighetsspår ovanpå, med ett stabilt jordplan under och effektplanet under detta. Långsammare styrsignaler ska ske på bottenplanet.

Det är kritiskt att lågspännings- och högspänningskomponenterna är fysiskt åtskilda på kretskortet. Därför har de isolatorer som tas upp här separata effektdomäner för vänster och höger sida av paketet. Dessutom får spår för en domän inte dras nära spåren för en annan för att förhindra signalstörningar.

Om isolatorn placeras i högspänningsavsnittet kan det vara säkrare att placera isolatorerna med lågspänningssidan riktad mot kanten på kretskortet. Detta hjälper till att förhindra eventuella högspänningar från att skapa ljusbågar till lågspänningssidan, vilket kan orsaka allvarliga skador på eventuell lågspänningselektronik i isolatorns andra ände.

Slutsats

Industriutrustning som arbetar med tusentals volt kräver komponenter som kan isolera dessa högspänningar säkert från digital styrlogik på 5 volt eller lägre för att skydda utrustningen och dess användare. Industriutrustning kräver stabil och tillförlitlig isolation vid extrema temperaturvariationer under långa tidsperioder.

Som visas har digitala isolatorer baserat på galvanisk isolation de isolationsegenskaper och drifttemperaturspecifikationer som är lämpliga för sådana tillämpningar. Med lämpligt fokus på layout och konfiguration kan de hindra utrustnings- och personskador.