Семейство оптопар ACNT компании Broadcom для применения в высоковольтных решениях

Введение

Оптопары семейства ACNT от компании Broadcom имеют длину пути утечки по поверхности изолятора (creepage), равную 15,2 мм, и воздушный зазор (clearance), равный 14 мм. Оптопары ACNT обеспечивают максимальное напряжение изоляции 2262 В (V_IORM = 2262 V_PEAK), величину перенапряжения 12 000 В (V_IOTM = 12 000 V_PEAK) и доступны в компактных корпусах SO-8 для поверхностного монтажа.

Семейство ACNT включает несколько типов продуктов с различным функционалом и областями применения (рис. 1):

• ACNT-H343 — оптопары со встроенным драйвером управления затвором;
• ACNT-H61L — маломощные цифровые изоляторы со скоростью передачи до 10 Мбит/с;
• ACNT-H790/H79A/H79B — изолирующие усилители с высокой линейностью для датчиков тока и напряжения;
• ACNT-H870/H87A/H87B — прецизионные датчики напряжения с оптической развязкой;
• ACNT-H50L/H511 — одноканальные изоляторы со скоростью передачи до 1 Мбит/с.

Рис. 1. Внешний вид оптопар семейства ACNT

Примером использования продуктов семейства ACNT служит трехфазный DC/AC-инвертор, используемый для управления двигателем в качестве нагрузки. Схема инвертора представлена на рис. 2. Места включения компонентов ACNT обозначены цветом, а ниже приведена их расшифровка и описание. Оптопары семейства ACNT просты в эксплуатации, обладают высокой степенью надежности и прекрасно подходят для применения в высоковольтных системах.

Рис. 2. Применение компонентов семейства ACNT Broadcom в DC/AC-инверторе

Рост напряжения и требований в современных системах

На рынке систем возобновляемой энергии (солнечная и ветряная энергетика), городского транспорта, а также медицинского оборудования все явственнее проступает тенденция использования технологий, требующих работы с высоким значением напряжения и при этом обеспечивающих высокую степень защиты и помехоустойчивости. Новые типы систем по преобразованию солнечной энергии повысили значение рабочего напряжения для эксплуатируемого оборудования 1000–1500 В. Данное обновление позволяет повысить степень энергоэффективности и снизить затраты за счет возможности применения большего количества солнечных панелей (PV blocks) в одной линии (панелей, соединенных последовательно). Чем длиннее линия из последовательно соединенных панелей, тем меньше необходимость создания дополнительной линии и блоков для их объединения. Кроме того, более высокое постоянное напряжение на входе сокращает потери мощности в проводнике. Таким образом, система с рабочим напряжением 1500 В имеет в своем составе меньше блоков и соединений между массивами линеек солнечных панелей и инверторами, чем система с напряжением 1000 В, что сокращает начальную стоимость системы, а также стоимость ее последующего технического обслуживания. Однако одной из проблем системы с напряжением в 1500 В является потребность в обеспечении должной степени электробезопасности и соответствии существующим стандартам. Изоляция между модулем управления системой и высоко­вольтным оборудованием должна быть способна выдерживать всплески высокого напряжения и иметь должный уровень длины пути утечки (рис. 3). Оптроны семейства ACNT Broadcom с длиной пути утечки по поверхности изолятора, равной 15,2 мм, оптимальны для подобных систем.

Рис. 3. Система преобразования солнечной энергии с рабочим напряжением 1500 В

В сегменте преобразования ветряной энергии оптроны семейства ACNT также завоевали определенную популярность, особенно в странах Евросоюза, где в настоящий момент проводится активная политика по замене атомных электростанций на электростанции, работающие от возобновляемых источников энергии. На рис. 4 представлена система по преобразованию ветряной энергии в электрическую. В системе имеются маломощные цифровые изоляторы ACNT-H61L со скоростью передачи до 10 Мбит/с и длиной пути утечки 15,2 мм, которые отделяют высоковольтную часть драйвера затвора IGBT от низковольтной части системы управления, а также создают развязку в цепи обратной связи. В сегменте электрических сетей контроль и обратная связь на линии распределения становятся все более востребованными. Кроме того, в подобных системах предусмотрена трехфазная сеть (более 400 В AC), которая также требует должного уровня безопасности и изоляции. Использование оптопар ACNT-H50L позволяет удовлетворить все потребности подобных систем и организовать безопасное управление и передачу данных.

Рис. 4. Система преобразования ветряной энергии

Еще одна область применения оптопар семейства ACNT — их использование в DC/DC-преобразователях с напряжением 1500 В для легкорельсовых и монорельсовых транспортных систем. На рис. 5 представлена схема преобразования напряжения питания для монорельса, напряжение шины составляет 1500 В. Для создания развязки между высоковольтной частью и системой управления установлено четыре цифровых изолятора. Также в схеме применено два датчика с оптической развязкой для контроля уровня напряжения и низкоскоростные изоляторы для передачи данных. Оптопары ACNT способны обеспечить высокий уровень изоляции и безопасности в среде с высоким уровнем шума.

Рис. 5. DC/DC-преобразователь напряжения питания монорельса

Новые стандарты и нормативы

Результатом последнего согласования требований международных стандартов UL и IEC стало увеличение минимально допустимой длины пути утечки по поверхности изолятора для высоковольтных систем. Начиная с 2016 года стандарт UL 508C («Оборудование преобразования электроэнергии») был переведен в IEC 61800-5-1 («Системы силовых электрических приводов с регулируемой скоростью»). Согласно данному стандарту минимальная длина пути утечки для систем с напряжением 690 В AC и выше составляет 13,8 мм.

Одной из областей, где данный стандарт широко распространен, является медицинское оборудование. Применение в медицинском оборудовании оптопар ACNT позволяет обеспечить должный уровень изоляции, защиты от перенапряжения, электростатических разрядов (ESD) и безопасности в целом. Данные оптопары находят применение в системах для наблюдения за пациентами, где играют роль изолятора между платами управления и измерительной частью оборудования (замер кровяного давления, ЭКГ и т. д.), с которым пациент имеет прямой контакт и которое подвержено риску воздействия электростатического разряда. Для противодействия угрозам влияния электромагнитных помех (EMI) и ESD, а также для расширения возможностей использования медицинского оборудования в домашних условиях издана обновленная, четвертая, редакция стандарта IEC 60601-1-2, определяющая более высокие требования к защите и тестированию компонентов и оборудования (рис. 6). Изолятор ACNT-H61L, действующий в устройствах контроля состояния пациента, допускает кратковременное перенапряжение величиной до 12 000 В (V_IOTM = 12 000 V_PEAK), а его длина пути утечки по поверхности изолятора составляет 15 мм, что обеспечивает надежный уровень изоляции с минимальной вероятностью возникновения пробоя.

Рис. 6. Требования к медицинскому оборудованию и пример использования изолятора ACNT-H61L

Оптопары Broadcom семейства ACNT

Оптопары семейства ACNT компании Broadcom обладают высокой производительностью, соответствуют стандарту IEC 60747-5-5, имеют максимальное напряжение изоляции более 25 кВ и выдерживают скачки напряжения с формой 1,2/50 мкс (рис. 7). Критерии стандарта требуют сохранения целостности изоляционного барьера и отсутствия пробоев при испытании на частичный разряд, величина которого по итогам испытания не должна превышать 5 пКл. На рис. 7 приведен пример проведения испытаний на соответствие стандарту IEC 60747-5-5 для оптопары ACNT-H50L (результаты испытаний доступны в соответствующей документации на продукт).

Рис. 7. Прохождение теста оптопары ACNT-H50L на соответствие стандарту IEC 60747-5-5

ACNT-H343 — оптопара со встроенным драйвером управления затвором транзистора на 5 А, выпускается в компактном 15-мм корпусе SSO-8 и предназначена для применения в высоковольтных промышленных системах, включая 690-В системы управления двигателями и солнечные инверторы на 1500 В. ACNT-H343 обладает синфазной помехоустойчивостью (CMTI) более 100 кВ/мкс, что предотвращает возможные сбои в работе драйвера затвора в шумной среде. ACNT-H343 имеет минимальную задержку распространения и в три раза большую скорость переключения, чем устройства предыдущего поколения, что повышает эффективность управления биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) и SiC /GaN MOSFET.

ACNT-H61L — это цифровой изолятор с низким энергопотреблением и скоростью передачи данных до 10 Мбит/с. Минимальный ток светодиода изолятора составляет 4,5 мА, при этом ток потребления фотоприемника равен 2 мА во всем диапазоне рабочих температур. Выход изолятора поддерживает уровни КМОП-микросхем, а внутренний защитный экран устройства, выполненный на основе клетки Фарадея, обеспечивает гарантированную синфазную помехоустойчивость величиной 20 кВ/мкс. ACNT-H61L прекрасно подходит для связи цепей управления и высоковольтных частей преобразователей напряжения или других решений.

ACNT-H50L и ACNT-H511 представляют собой одноканальные изоляторы с транзисторным выходом и скоростью передачи до 1 Мбит/с. Независимое подключение вывода смещения фотодиода и коллектора выходного транзистора значительно увеличивает скорость передачи сигнала по сравнению с традиционными фототранзисторными оптронами за счет снижения емкости база-коллектор. ACNT-H50L и ACNT-H511 находят применение в системах, где требуется организация изолированной обратной связи или создание развязки в цепи управления питанием.

ACNT-H87B (допуск ±0,5%), ACNT-H87A (допуск ±1%) и ACNT-H870 (допуск ±3%) представляют собой прецизионные датчики напряжения с оптической развязкой. Диапазон входного напряжения датчиков составляет 0–2 В, а входной импеданс имеет значение 1 ГОм. Датчики полностью соответствуют требованиям по измерению изолированного напряжения в электронных преобразователях. При использовании стандартной схемы включения резистивный делитель масштабирует напряжение участка цепи в соответствии с входным диапазоном датчика, после чего на другой стороне изоляционного барьера создается дифференциальное выходное напряжение, пропорциональное входному значению.

ACNT-H79B (допуск ±0,5%), ACNT-H79A (допуск ±1%) и ACNT-H790 (допуск ±3%) — это изолирующие усилители с высокой линейностью для датчиков тока и напряжения. Данные компоненты обеспечивают точность и стабильность измерений, позволяя контролировать значения тока и напряжения в средах с высоким уровнем шума и тем самым обеспечивать более плавное управление двигателем или другим оборудованием. ACNT-H79B, ACNT-H79A и ACNT-H790 используют аналого-цифровую модуляцию сигма-дельта (S—D) и топологию полностью дифференциальной схемы, что позволяет достичь высокого уровня подавления шума в режиме изоляции и высокой точности измерения и усиления.

Клиентам Broadcom также доступны оценочные платы на базе оптопар семейства ACNT (рис. 8).

Рис. 8. Оценочные платы на базе оптопар семейства ACNT Broadcom