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Broadcom 的 15 mm 宽 ACNT 光电耦合器高压应用【ACNT-H343、ACNT-H61L、ACNT-H50L/H511、ACNT-H87B、ACNT-H79B】

作者:Foo Chwan Jye

简介

Broadcom 的 ACNT 光电耦合器系列产品为高压隔离应用提供 15 mm 爬电距离和 14.2 mm 电气间隙。这些光电耦合器采用紧凑型拉伸式表面贴装 SO-8 封装,提供 2,262 VPEAK 工作绝缘电压和 12,000 VPEAK 瞬态过电压。ACNT 光电耦合器产品类型全面,以满足不同的电气隔离要求和功能。其中包括:ACNT-H343 栅极驱动光耦、ACNT-H61L 低功耗 10 MBd 数字光耦、ACNT-H790/H79A/H79B 高线性度隔离放大器(用于电流检测)、ACNT-H870/H87A/H87B 电压传感器和 ACNT-H50L/H511 低速模拟量光耦。图 1 所示为三相逆变器将直流转换为交流并驱动负载(电机),突出显示了各种 ACNT 光电耦合器产品类型的不同隔离位置和用途。ACNT 光电耦合器可靠且易于使用。

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图 1:ACNT 光电耦合器可满足逆变器的各种隔离需求。(图片来源:Broadcom Limited)

高压趋势及要求

在可再生能源(太阳能或风能)、牵引和医疗保健系统的细分市场中,对较高直流总线电压或高瞬态电压抗扰度的要求已发展为一种趋势。新型太阳能/光伏 (PV) 系统已经采用 1500 VDC,取代此前的 1000 VDC。这项升级可提高能效,降低成本。

促成这两项优势的原因之一在于,每个串列可包含更多光伏块(光伏串列更长)。而汇流箱将输入功率汇集成总输入。光伏串列更长、数量更少,所需的汇流箱就相应减少。直流输入电压较高也会降低线路(铜)功率损耗。总体上,与 1000 V 或较低的直流电压系统相比,1500 V 系统中光伏串列与逆变器之间的连接较少。同时,功率密度较高、设备更少也降低了人工维护成本。电气安全及各种组件认证标准是 1500 V 系统面临的一大挑战。控制模块与电源产品之间的隔离必须能够承受高压(稳态和瞬态),并符合相关的爬电距离要求(图 2)。Broadcom 的 15 mm 宽 ACNT 光电耦合器就能满足这些要求。

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图 2:1500 V 光伏发电系统。(图片来源:Broadcom Limited)

对于可再生能源领域的风能解决方案,由于作为国家级配电网更新计划的一部分,用可再生资源取代核电厂,ACNT 光电耦合器在欧洲国家深受青睐。

图 3 显示了使用 15 mm 宽 ACNT-H61L 10 MBd 低功耗光耦的变频器隔离。这些组件隔离了低压控制与高压 IGBT 之间的控制和故障反馈信号。在另一个电网子领域中,作为采用智能电网的一部分,低压或中压配电线路的计量日趋先进。为了实现数据通信的安全和高压隔离,三相线路(>400 VAC 计量)需要更大的爬电距离。在智能电网中,安全性也相当重要。低速模拟量光耦 ACNT-H50L 的长期可靠性有助于确保隔离式数据通信。

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图 3:可再生能源 - 风能解决方案的变频器。(图片来源:Broadcom Limited)

另一个高压应用实例是轻轨或单轨系统的牵引力控制。在这些系统中,ACNT 光电耦合器用于 1500 V 的 DC-DC 转换。图 4 显示了具有 1500 VDC 总线电压的单轨系统功率转换器。高-低压控制接口隔离采用四个数字光耦,电压电平控制隔离采用两个电压检测隔离放大器,I/O 通信隔离采用低速模拟量光耦,为高噪声环境提供可靠而稳健的高压隔离解决方案。

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图 4:牵引应用中的功率转换器。(图片来源:Broadcom Limited)

在医疗系统中,第 4 版医疗标准 IEC 60601-1-2 针对接触放电和空气放电规定了较高的 ESD 等级。该 ESD 抗扰度测试的适用类型,从患者与设备直接接触的检测电路(例如血压、ECG)到患者监护设备的控制板。ACNT-H61L 符合此修订要求,瞬态过电压为 12,000 VAC。由于爬电距离和电气间隙较大,该器件允许更大的隔离间隙,并能最大限度地减少电弧。

监管标准修订

随着 UL 和 IEC 标准的协调一致,对爬电距离和电气间隙的更严格要求应运而生。从 2016 年起,UL 508C 标准(功率转换设备)过渡到 IEC 61800-5-1 标准(可调速电力驱动系统)。新的驱动器型号要求较大的爬电距离和电气间隙,以此才能保持相同的额定值规格。例如,对于 690 VAC 额定值的强化绝缘,要求爬电距离和电气间隙至少为 13.8 mm。

在医疗系统 ESD 抗扰度测试中,由于隔离式安全栅的保护,需要较高的放电瞬态过电压。在解决这一问题上,ACNT 光电耦合器颇具优势。在患者监护应用中,ESD 抗扰度测试的适用类型,从患者与设备直接接触的检测电路(例如血压、ECG)到患者监护设备的控制板。如今,越来越多的医疗设备在医院外使用,为了解决电磁干扰 (EMI) 威胁,最新的第四版医疗电气设备标准 IEC 60601-1-2 提高了医疗设备 ESD 抗扰度测试的放电水平(图 5)。针对患者监护设备,ACNT-H61L 的优势在于额定瞬态过电压高达 12,000 VPEAK、爬电距离和电气间隙达 15 mm,因而允许更大的隔离间隙,并能最大限度地减少电弧。

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图 5:ACNT-H61L 可满足医疗系统的高绝缘电压需求。(图片来源:Broadcom Limited)

Broadcom 的 ACNT 光电耦合器

Broadcom 光电耦合器性能出色,可承受高压浪涌(1.2 µs / 50 µs 电压波形)。按照 IEC 60747-5-5 组件安全标准,Broadcom 的 ACNT 光电耦合器可通过 25 kV 以上等级。通过标准是局部放电小于 5 pC 时,固体绝缘不能出现完全击穿或局部击穿。如图 6 所示,ACNT-H50L 在非空气条件下进行测试,以消除高压浪涌所产生的电弧(参考 TUV 测试结果报告)。

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图 6:Broadcom 光电耦合器符合 IEC 60747-5-5 的高压浪涌要求。(图片来源:Broadcom Limited)

总结

ACNT-H343 是一款最新发布的 5 A 栅极驱动光耦,采用 15 mm SSO-8 封装,专为空间受限的高压工业应用设计,例如 690 VAC 电机驱动器和 1500 V 太阳能逆变器。ACNT-H343 的共模瞬变抗扰度 (CMTI) 超过 100 kV/μs,在嘈杂环境应用中可防止栅极驱动器故障误报。该器件最大限度地减少传播延迟,速度是上一代器件的三倍,因此可实现高频切换,提高 IGBT(绝缘栅双极晶体管)和 SiC/GaN MOSFET 的驱动效率。

ACNT-H61L 是一款 10 MBd 低功耗数字光耦,LED 最小驱动电流只需 4.5 mA,在工作温度范围内,检测器 IC 的最大 IDD 为 2 mA。检测器 IC 的输出为 CMOS 输出。内部法拉第屏蔽板可保证共-模瞬态抗扰度达到 20 kV/µs。ACNT-H61L 适用于高压或瞬态功率转换系统的隔离式逻辑接口通信和控制。

ACNT-H50L/H511 是一款单通道 1 MBd 光电耦合器,具有开路集电极晶体管输出。光电二极管偏置与输出晶体管集电极的单独连接,减小了基极-集电极电容,大大提高了速度,可达到传统光电晶体管的百倍。ACNT-H50L/H511 适用于低速模拟量、故障或功率控制反馈隔离等应用。

ACNT-H87B(±0.5% 增益容差)、ACNT-H87A(±1% 增益容差)和 ACNT-H870(±3% 增益容差)电压传感器,均是专为电压检测设计的光电隔离放大器。输入范围 2 V,输入阻抗高达 1 GΩ,满足电子功率转换器应用对隔离电压检测的要求。在典型电压检测应用中,使用电阻分压器来缩放直流链路电压,以适应电压传感器的输入范围。光电隔离式安全栅另一侧的差分输出电压与输入电压成比例。

ACNT-H79B(±0.5% 增益容差)、ACNT-H79A(±1% 增益容差)和 ACNT-H790(±3% 增益容差)隔离放大器,专为电子功率转换器应用的电流和电压检测而设计。在高噪声电机控制环境中,这些光电耦合器可提供精确监控电机电流所需的精度和稳定性,为各类电机控制提供较平稳的控制(减少“转矩波动”)。结合卓越的光电耦合技术,ACNT-H79B/H79A/H790 采用三角积分 (∑-∆) 模数转换调制器、斩波稳定放大器和全差分电路拓扑结构,可提供性能卓群的隔离模式噪声抑制、低偏移、高增益精度和稳定性。

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