Broadcom 15 mm brede ACNT optocouplers voor hoogspanningstoepassingen

Inleiding

De productreeks met ACNT optocouplers van Broadcom biedt een kruipweg van 15 mm en 14,2 mm spelingsafstand voor hoogspannings-isolatietoepassingen. Deze optocouplers leveren een operationele isolatiespanning van 2.262 V_PEAK en een transiënte overspanning van 12.000 V_PEAK in een compacte SO-8-verpakking voor opbouwmontage. De serie ACNT optocouplers bevat alle benodigde producttypes om te voldoen aan de verschillende vereisten op het gebied van galvanische isolatie en benodigde functionaliteit. Het gaat om de volgende producten: de ACNT-H343 gate drive optocoupler, de ACNT-H61L 10 MBd digitale optocoupler met laag vermogen, de ACNT-H790/H79A/H79B isolatieversterker met hoge lineariteit voor stroomdetectie, de ACNT-H870/H87A/H87B voor spanningsdetectie, en de ACNT-H50L/H511 analoge optocoupler met lage snelheid. In afbeelding 1 zien we het voorbeeld van een 3-fase-omvormer die DC-AC vermogen omzet naar een belasting (motor), waarbij de diverse locaties voor de isolaties en het beoogde doel zijn gemarkeerd per soort ACNT optocoupler. ACNT optocouplers zijn betrouwbaar en gebruiksvriendelijk.

Afbeelding 1: ACNT optocouplers voor verschillende isolatiebehoeften in een omvormer. (Bron afbeelding: Broadcom Limited)

Hoogspanningstrend en bijbehorende vereisten

In diverse marktsegmenten zien we een trend richting hogere spanningen op de DC-bus of hogere immuniteitsvereisten voor transiënte spanningen, onder andere bij de hernieuwbare energie (wind & zon), tractiecontrole en in medische systemen. De nieuwere fotovoltaïsche systemen voor zonne-energie werken bijvoorbeeld vaak met 1500 V_DC, in plaats van de voorheen gangbare 1000 V_DC. Dat heeft voordelen voor de energie-efficiëntie en het bespaart ook kosten.

Dat komt ook doordat er meer PV-blokken kunnen worden gebruikt per keten (dus een langere keten van PV-modules). De opgewekte energie wordt dan door combiner-boxen geconsolideerd in één hoofdstroom. Als PV-ketens langer kunnen zijn, zijn er minder ketens nodig voor hetzelfde aantal modules en dus ook minder combiner-boxen. Door de hogere ingangsspanning (DC) treden er bovendien ook minder koperverliezen op. Over het geheel genomen heeft een systeem met 1500 V in vergelijking met systemen van 1000 V of lager minder verbindingen tussen de ketens met PV-modules en de omvormer. Door de hogere vermogensdichtheid en het lagere aantal systeemcomponenten gaan ook de kosten voor personeel en onderhoud omlaag. Systemen met 1500 V zorgen echter wel voor uitdagingen op het gebied van de elektrische veiligheid en de certificeringsnormen voor de afzonderlijke onderdelen liggen hoger. De isolatie tussen de controlemodule en de stroomvoerende delen moet bestand zijn tegen hoge spanningen (stabiel en transiënt) en de relevante kruipafstand leveren (Afbeelding 2). De 15 mm ACNT optocouplers van Broadcom voldoen aan deze vereisten.

Afbeelding 2: PV-systeem voor energieopwekking – 1500 V (bron afbeelding: Broadcom Limited).

In het marktsegment hernieuwbare energie is ook wind van belang: de ACNT optocouplers winnen aan populariteit in Europa, waar nationale programma's lopen om distributienetwerken te vernieuwen en kernenergiecentrales te vervangen door hernieuwbare bronnen.

Afbeelding 3 geeft de isolatie weer van de frequentieomvormer met de 15 mm brede ACNT-H61L 10 MBd optocoupler met laag vermogen. Deze componenten isoleren de besturings- en foutfeedbacksignalen tussen de laagspanningsbesturing en de hoogspannings-IGBT's. In een ander subsegment van het elektriciteitsnetwerk worden de meters voor distributielijnen met lage of middelhoge spanning steeds geavanceerder met de ontwikkeling van het zogeheten "smart grid". In de 3-fase metertechnologie (meters met meer dan 400 V_AC) is een bredere kruipafstand vereist voor de veiligheid en om de gegevensoverdracht te isoleren van de hoogspanning. Beveiliging is in het smart grid ook belangrijker. De analoge optocoupler ACNT-H50L met lage snelheid is bijzonder betrouwbaar op de lange termijn, wat helpt om de geïsoleerde gegevenscommunicatie te beveiligen.

Afbeelding 3: Hernieuwbare energie – Frequentieomvormer voor toepassingen in de windenergie. (Bron afbeelding: Broadcom Limited)

Nog een voorbeeld van hoogspanningstoepassingen: de tractieregeling van lightrail- en monorailsystemen. In deze systemen worden de ACNT optocouplers ingezet voor de DC-DC-conversie van 1500 V. Afbeelding 4 geeft een monorail-omvormer weer met een busspanning van 1500 V_DC. Er zijn vier digitale optocouplers voor de geïsoleerde hoogspanning-laagspanning besturingsinterface en twee spanningsdetectie-isolatieversterkers voor geïsoleerde aansturing van het spanningsniveau, en analoge optocouplers met lage snelheid voor geïsoleerde I/O-communicatie om hoogspanningsisolatie te leveren voor betrouwbaarheid en belastbaarheid in een omgeving met veel ruis.

Afbeelding 4: Stroomomvormer in tractietoepassingen. (Bron afbeelding: Broadcom Limited)

Voor systemen in de gezondheidszorg is de 4^e uitgave van de medische norm IEC 60601-1-2 van belang: hierin wordt een hoger ESD-niveau vereist voor elektrostatische ontlading en luchtontlading. Dit soort test voor ESD-immuniteit is van toepassing tussen het detectiecircuit (bijv. bloeddruk, ECG), waar de patiënt direct contact heeft met de apparatuur, en het besturingsboard van een apparaat voor patiëntmonitoring. De ACNT-H61L voldoet aan deze hogere standaard, met een transiënte overspanning van 12.000 V_AC. De brede kruip- en spelingsafstand zorgen voor een bredere isolerende ruimte en minimale vorming van vlambogen.

Herziening van de regelgevingsnorm

De harmonisering van de internationale standaarden UL en IEC heeft geleid tot strengere vereisten voor de kruip- en spelingsafstanden. Met ingang van 2016 is de norm UL 508C (Power Conversion Equipment, omzettingsapparatuur) overgegaan naar IEC 61800-5-1 (Adjustable speed electrical power drive systems, Regelbare elektrische aandrijfsystemen). Om dezelfde specificatie te behouden, zijn bredere kruip- en spelingsafstanden nodig voor het nieuwe aandrijvingsmodel. Een voorbeeld: voor de versterkte isolatie van een 690 V_AC-specificatie is minimaal 13,8 mm kruip- en spelingsafstand vereist.

ACNT optocouplers bieden voordelen voor medische systemen, omdat ze de hoge ESD-immuniteit leveren voor transiënte overspanningen door ontladingen over een isolatiebarrière. Dit soort test voor ESD-immuniteit is in apparaten voor patiëntenmonitoring van toepassing tussen het detectiecircuit (bijv. bloeddruk, ECG), waar de patiënt direct contact heeft met de apparatuur, en het besturingsboard van een apparaat. Om de moderne bedreigingen van elektromagnetische interferentie tegen te gaan voor medische apparatuur die steeds vaker buiten het ziekenhuis wordt gebruikt, is er de nieuwe vierde editie van de standaard voor medische elektrische apparatuur: de IEC 60601-1-2. Conform deze standaard worden er bij het testen van de ESD-immuniteit van medische apparatuur hogere ontladingen toegepast (afbeelding 5). De ACNT-H61L die wordt gebruikt in apparatuur voor patiëntenmonitoring biedt een hogere specificatie voor transiënte overspanningen van 12.000 V_PEAK, en de 15 mm brede kruip- en spelingsafstand maakt een bredere isolatie mogelijk om boogvlammen tegen te gaan.

Afbeelding 5: De ACNT-H61L voldoet aan de hoge vereisten voor spanningsisolatie in medische systemen. (Bron afbeelding: Broadcom Limited)

ACNT Optocouplers van Broadcom

De optocouplers van Broadband leveren uitstekende prestaties en zijn bestand tegen hoge piekspanningen (1,2 µs / 50 µs spanningsgolfvorm). Conform de veiligheidsstandaard IEC 60747-5-5 voor componenten verwerken de ACNT optocouplers van Broadcom meer dan 25 kV. Het criterium voor een geslaagde test is geen lekken of gedeeltelijke uitval van vaste isolatie bij minder dan 5 pC deelontlading. Zoals weergegeven in Afbeelding 6 wordt de ACNT-H50L getest onder vacuümomstandigheden om vorming van elektrische vlambogen te voorkomen bij hoge piekspanningen (zie uitkomst TÜV-testrapport).

Afbeelding 6: Optocouplers van Broadcom zijn bestand tegen hoge piekspanningen conform IEC 60747-5-5. (Bron afbeelding: Broadcom Limited)

Samenvatting

De ACNT-H343 is een nieuw uitgebrachte 5 A gate drive optocoupler in een 15 mm SSO-8-verpakking, ontworpen voor industriële toepassingen met hoge spanning en weinig inbouwruimte, inclusief motoraandrijvingen van 690 V_AC en zonne-omvormers van 1500 V. De ACNT-H343 heeft een common-mode transiënte immuniteit (CMTI) van meer dan 100 kV/μs, wat uitval van de gatedriver voorkomt in omgevingen met veel ruis. Het apparaat heeft een minimale propagatievertraging en werkt drie keer sneller dan de vorige generatie, wat schakelen met hoge frequenties mogelijk maakt voor meer efficiency in IGBT's en SiC/GaN MOSFET's.

De ACNT-H61L is een 10 MBd digitale optocoupler met laag vermogen die slechts 4,5 mA nodig heeft als minimum voor de LED, terwijl de detector-IC over het gehele temperatuurbereik maximaal 2 mA I_DD verbruikt. De output van de detector-IC is een CMOS-output. De interne kooi van Faraday-constructie garandeert een CMTI-specificatie van 20 kV/μs. De ACNT-H61L is geschikt voor geïsoleerde logische interfacecommunicatie en besturing in hoogspanningssystemen of omzettingssystemen voor transiënt vermogen.

De ACNT-H50L/H511 is een single-channel 1 MBd optocoupler met open collector transistor-output. Aparte verbindingen voor de fotodiode-bias en de collector van de output-transistor verhogen de snelheid tot wel honderd keer sneller dan die van een conventionele fototransistor, omdat de basis-collector-capacitantie wordt verlaagd. De ACNT-H50L/H511 is geschikt voor toepassingen als low-speed analoge geïsoleerde foutfeedback of stroombesturingsfeedback.

De spanningssensoren ACNT-H87B (±0,5% gain-tolerantie), ACNT-H87A (±1% gain-tolerantie) en ACNT-H870 (±3% gain-tolerantie) zijn optische isolatieversterkers die speciaal ontworpen zijn voor spanningsdetectie. Het ingangsbereik van 2 V en de hoge ingangsimpedantie van 1 GΩ voldoen aan de vereisten voor geïsoleerde spanningsdetectie in elektronische omvormers. In een typische toepassing voor spanningsdetectie wordt een resistieve spanningsverdeler gebruikt om de DC-link-spanning op te schalen, zodat deze aansluit op het ingangsbereik van de spanningssensor. Aan de andere kant van de optische isolatiebarrière wordt een differentiële uitgangsspanning gegenereerd die in verhouding staat tot de ingangsspanning.

De isolatieversterkers ACNT-H79B (±0,5% gain-tolerantie), ACNT-H79A (±1% gain-tolerantie) en ACNT-H790 (±3% gain-tolerantie) zijn ontworpen voor de detectie van stroom en spanning in elektronische omvormers. Deze optocouplers leveren de precisie en stabiliteit die nodig zijn om motorstroom te detecteren in ruisrijke omgevingen voor motorregeling, wat een soepelere besturing oplevert voor verschillende soorten motoraansturing (lagere koppelrimpel). In combinatie met superieure technologie voor optische koppeling gebruikt de ACNT-H79B/H79A/H790 sigma-delta (∑-∆) analoog-naar-digitaal modulatie, versterkers met chopper-stabilisering en een volledig differentiële circuittopologie voor ongeëvenaarde isolation-mode ruisonderdrukking, lage offset, hoge gain-nauwkeurigheid en stabiliteit.