Veiligheid en betrouwbaarheid van industriële hoogspanningstoepassingen vergroten met galvanische isolatoren

Veel systemen voor industriële automatisering, vooral in fabrieken, moeten met apparatuur samenwerken waarin hoogspanning van honderden tot duizenden volt aanwezig is. Halfgeleiderisolatoren worden vaak gebruikt om zulke hoogspanning te scheiden van de veel lagere 5 volt waarmee de digitale logica in de meeste regelsystemen werkt. Hiervoor worden vaak opto-isolatoren met dubbele chip in één behuizing gebruikt vanwege hun hoge weerstand voor hoogspanningspieken en ongevoeligheid voor magneetvelden. Maar ontwerpers hebben een technologie nodig die op de lange duur en bij extreme temperaturen stabieler is en die eenvoudiger te fabriceren is.

In dit artikel wordt verklaard waarom en hoe galvanische isolatoren in één behuizing kunnen worden gebruikt om de hoogspanning te isoleren die in moderne industriële en medische systemen en in elektrische auto's wordt gebruikt. We bekijken vervolgens twee silicium galvanische isolatoren van Texas Instruments die bedoeld zijn voor bijzonder betrouwbare hoogspanningssystemen en we bespreken hoe deze op een printplaat te plaatsen om de hoogspanning veilig te isoleren van de digitale logica die in PLC's en gebruikersinterfaces wordt gebruikt.

Waarom hoog- en laagspanning isoleren?

Veel industriële systemen worden geregeld door PLC's, computers of via gebruikersinterfaces (HMI's). Deze regelsystemen werken met standaard voedingspanningen van 5 volt of minder. Als deze systemen aan hoogspanningen van 120 volt of meer worden gekoppeld, dan is het belangrijk om de laagspanningen fysiek en elektrisch van de hoogspanningen te scheiden. Ook bij vermogensomvormers, gelijkstroomomvormers en elektrische auto's moet de laagspanning uit de digitale regelsystemen zorgvuldig worden gescheiden van de hoogspanningen in het systeem van mogelijk duizenden volt.

Hoewel vermogenstransistoren probleemloos in zulke toepassingen kunnen worden toegepast, is dat niet veilig. In dit type toepassingen staan de laagspanning en de hoogspanning op hetzelfde halfgeleidersubstraat. Als de vermogenstransistor op enigerlei wijze defect raakt, dan kan al snel duizenden volt op de digitale elektronica komen te staan. Niet alleen wordt de regelapparaat vernietigd, maar ok de gebruiker loopt gevaar.

Optische isolatie is altijd de voorkeursmethode geweest om laag- en hoogspanningssystemen fysiek te scheiden. Een standaard opto-isolator met twee chips in één behuizing bevat een led op de ene chip waarvan het licht, meestal infrarood, via een transparante isolatielaag op een fotodiode op de tweede chip schijnt. De fotodiode zet dit om in een laagspanningssignaal dat wordt gebruikt om de hoogspanningsschakeling te regelen.

Als de opto-isolator veilig de duizenden volt moet kunnen regelen, dan moeten de led en de fotodiode allebei in een transparante isolatielaag zijn gevat van een materiaal dat de nominale spanning van de opto-isolator kan verdragen.

Opto-isolatoren zijn tegen spanningspieken bestand en zijn volledig ongevoelig voor magneetvelden, zodat ze de beste keuze zijn voor toepassingen om de hoogspanning bij motoren te regelen. Opto-isolatoren voor extreme toepassingen kunnen zeer hoge piekspanningen van 10.000 volt of meer verdragen.

Maar opto-isolatoren zijn minder goed tegen hoge temperaturen bestand. Bovendien hebben de leds in opto-isolatoren last van veroudering. Opto-isolatoren bevatten bovendien twee chips, wat betekent dat de fabricage ervan lastiger is dan bij halfgeleiders met maar één chip.

Galvanische isolatie

Bij toepassingen waar extreme temperaturen kunnen optreden en waar een lange levensduur van groot belang is, kunnen galvanische isolatoren in één behuizing worden gebruikt.. Waar bij optische isolatie twee systemen via leds en fotodiodes worden gescheiden, worden bij galvanische isolatie twee systemen elektrisch gescheiden via charge-coupled componenten met siliciumdioxide (SiO₂)-condensatoren of inductoren De effectiviteit van de isolatie is afyhankelijk van het SiO₂-diëlektricum.

Galvanische isolatoren werken op hoge snelheid, hebben een lange levensduur en kunnen eenvoudig aan de meeste microcontrollers worden gekoppeld. In recente tests bleken ze tegen 6000 volt bestand, temperaturen van wel 150 °C te kunnen verdragen en een levensduur van meer dan 35 jaar te hebben. Hiermee worden de veiligheid en betrouwbaarheid van het totale systeem vergroot en tevens de onderhoudskosten verlaagd.

De ISO7762FDWR zeskanaals digitale isolator van Texas Instruments is bijvoorbeeld tegen 5000 volt RMS (V_RMS) en spanningspieken van 12.800 volt bestand (Afbeelding 1). De ISO7762 is in twee versies leverbaar: de ISO7762F waarbij de uitgangspinnen OUT[A:F] standaard logisch laag zijn, en de versie zonder F waarbij de uitgangspinnen standaard logisch hoog zijn.

Afbeelding 1: De ISO7762F van Texas Instruments is een zeskanaals galvanische isolator met vier kanalen in de ene richting en twee in de andere richting. (Afbeelding: Texas Instruments)

De ISO7762F heeft twee voedingsdomeinen, een links en een rechts, elektrisch en fysiek door een SiO₂-isolatielaag gescheiden. Elk voedingsdomein heeft eigen voedings- en massapinnen.

Het apparaat heeft vier kanalen in de ene richting en twee in de andere. Met de twee kanalen in de omgekeerde richting (ingangen E en F) kan informatie van het hoogspanningssysteem terug worden gezonden naar het digitale regelsysteem terwijl de veilige isolatie van de twee voedingsdomeinen gehandhaafd blijft. De in beide richtingen overgedragen informatie kan simpele digitale aan/uit-informatie zijn of seriële gegevens via een UART of tweedraads I²C verbinding.

De ISO7762F gebruikt voor elk kanaal twee in serie geschakelde SiO₂-condensatoren om de twee voedingsdomeinen te scheiden. Digitale informatie wordt verzonden via on-off keying (OOK) modulatie, waarbij een logische 1 op een van de ingangen IN[A:F] wordt gerepresenteerd door een wisselspanningssignaal over de condensator naar het andere voedingsdomein. Een logische 0 is een spanning van 0 volt. De informatie op de overeenkomstige OUT[A:F] representeert de logische waarde van de ingangspin. Het SiO₂-diëlektricum in de condensatoren scheidt de twee voedingsdomeinen en zorgt zo voor een veilige isolatie tussen het hoogspanningsgedeelte en het digitale regelsysteem.

De ontwerpers van de ISO7762F hebben de nadruk op de hoge isolatieweerstand gelegd voor de maximale veiligheid. De isolatieweerstand bij 25 °C is nominaal hoger dan 1 teraohm (TΩ). De isolatieweerstand van de ISO7762F bij 150°C is hoger dan 1 gigaohm (GΩ). Bedenk hierbij dat deze weerstand hoger is dan die van de omgevingslucht rond de ISO7762F.

Texas Instruments stelt dat de ISO7762F een levensduur van tenminste 37 jaar heeft, maar voor de galvanische isolatielaag wordt een levensduur van meer dan 135 jaar opgegeven. Hoewel apparatuur meestal geen gegarandeerde werking gedurende zo'n lange tijd nodig heeft, geven deze cijfers wel een indicatie voor de betrouwbaarheid van het apparaat.

Voor nog hogere spanningen levert Texas Instruments de ISO7821LLSDWWR tweekanaals differentiële isolatiebuffer met een nominale isolatiespanning van 5700 V_RMS en spanningspieken van 12.800 volt (Afbeelding 2). De twee kanalen lopen in tegengestelde richting. Elk van de kanalen is een differentieelzender die wordt gebruikt voor communicatie via laagspanningsdifferentieelsignalen (LVDS) bij snelheden tot 150 megabit per seconde (Mbps).

Afbeelding 2: De ISO7821LLS digitale isolator van Texas Instruments heeft twee differentieelkanalen in tegengestelde richtingen. Elk van de uitvoerbuffers kan de uitgang uitschakelen door deze op een hoge impedantie zetten. (Afbeelding: Texas Instruments)

Het voor de galvanische isolatie in de ISO7821LLS gebruikte SiO₂ is gelijk aan dat in de ISO7762F, met als enige verschil dat in de ISO7821LLS één condensator per kanaal wordt gebruikt in plaats van twee in serie geplaatste condensatoren. Ook wordt dezelfde OOK-modulatie gebruikt om de digitale gegevens over de SiO₂-condensatoren te verzenden.

De ISO7821LLS galvanische-isolatiedriver kan LVDS-gegevens over industriële kabels verzenden, zoals de Belden 88723-002500 kabel voor zwaar gebruik met dubbele twisted-pair. Dit is een kabel van hoge kwaliteit met twee twisted-pairs van 0,64 mm in een rode mantel voor industrieel gebruik. Deze kabel is ontworpen voor gebruik binnenshuis en buitenshuis en zelfs ondergronds. De kabel is tegen bedrijfstemperaturen van -70 tot +200 °C bestand. Hierdoor is hij geschikt voor zware industriële hoogspanningstoepassingen zoals omvormers voor zonnepanelen in bijzonder hete of koude omgevingen. Een regeleenheid kan LVDS-besturingsgegevens in beide richtingen over deze Belden-kabel naar een ISO7821LLS in de omvormer van de zonnepanelen verzenden. Eventuele hoogspanningspieken als gevolg van een defect in de omvormer worden door de isolator tegengehouden zodat de laagspanningsschakelingen en de gebruikers van het systeem beschermd zijn.

De twee uitgangen van de Texas Instruments ISO7821LLS hebben onafhankelijke pinnen om de respectievelijke uitgangen uit te schakelen door ze op een hoge impedantie te zetten. Dit komt van pas als het apparaat op een LVDS-bus met meerdere drivers is aangesloten en de bus aan een andere bus master moet overdragen. Dit komt bij industriële omgevingen voor waar de hoogspanningsapparatuur door meerdere regeleenheden op verschillende locaties moet worden bediend.

Voor het evalueren van de ISO7821LLS heeft Texas Instruments het ISO7821LLSEVM evaluatieboard beschikbaar (Afbeelding 3). Dit kan met een minimaal aantal externe componenten worden gebruikt om het gedrag en de prestaties van de ISO7821LLS te evalueren en de communicatie op de LVDS-bus te monitoren voor testen en benchmarken.

Afbeelding 3: De ISO7821LLSEVM evaluatiemodule van Texas Instruments kan worden gebruikt om de prestaties van de LVDS-communicatie van de ISO7821LLS tweekanaals differentiële isolatiebuffer te testen en te evalueren. (Afbeelding: Texas Instruments)

Omdat elke hoogspanningstoepassing anders is, is de ISO7821LLSEVM niet bedoeld voor het testen van de hoogspanningsisolatie van de ISO7821LLS.

Lay-out van galvanische isolator

De lay-out van de galvanische hoogspanningsisolator moet bijzonder zorgvuldig worden ontworpen om voor een effectieve isolatie te zorgen. Voor het ontwerp van een printplaat met lage EMI gelden de standaard regels, zoals een printplaat gebruiken met tenminste vier lagen met de hogesnelheidssporen bovenop, een massieve massaplaat daaronder en de voedingsplaat daar weer onder. De langzamere besturingssignalen moeten op de onderste laag.

Het is van het allergrootste belang dat de componenten van de hoog- en laagspanningsdomeinen fysiek gescheiden op de printplaat worden geplaatst. Daarom hebben de hier besproken isolatoren gescheiden voedingsdomeinen voor de linker en rechter kanten van de behuizing. Ook moeten de sporen voor het ene domein niet in de buurt van het andere worden geleid om interferentie te voorkomen.

Als de isolator in het hoogspanningsgedeelte is geplaatst, dan is het waarschijnlijk veiliger deze zo te plaatsen dat de laagspanningszijde naar de rand van de printplaat wijst. Zo wordt voorkomen dat hoogspanning naar de laagspanningszijde overslaat, waardoor de laagspanningselektronica aan de andere zijde van de isolator zwaar kan worden beschadigd.

Conclusie

Bij industriële apparatuur die spanningen van duizenden volt gebruikt, zijn componenten nodig die deze hoogspanning veilig van de spanning van 5 volt of minder van de digitale regelelektronica kunnen isoleren om zo de apparatuur en de gebruikers te beschermen. Het karakter van industriële apparatuur vereist dat een dergelijke isolatie zowel stabiel als betrouwbaar is bij extreme temperaturen en gedurende lange tijd.

We hebben laten zien dat digitale isolatoren op basis van galvanische isolatie de isolerende eigenschappen en specificaties voor bedrijfstemperatuur hebben, die ze voor dergelijke toepassingen geschikt maken. Met de juiste aandacht voor lay-out en configuratie kunnen ze schade of letsel voorkomen.