Optoaccoppiatori ACNT di Broadcom di 15 mm di larghezza per applicazioni con isolamento da alte tensioni

Introduzione

La famiglia di optoaccoppiatori ACNT di Broadcom offre una distanza di isolamento superficiale di 15 mm e una distanza minima in aria di 14,2 mm per applicazioni con isolamento da alte tensioni. Questi optoaccoppiatori forniscono una tensione di isolamento operativa di 2.262 V_picco e una sovratensione transitoria di 12.000 V_picco in un contenitore SO-8 compatto a montaggio superficiale. Gli optoaccoppiatori ACNT comprendono un'ampia tipologia di prodotti per soddisfare diversi requisiti e caratteristiche di isolamento galvanico. Ne fanno parte l'optoaccoppiatore di pilotaggio del gate ACNT-H343, l'optoaccoppiatore digitale a 10 Mbd a basso consumo ACNT-H61L, l'amplificatore di isolamento ad alta linearità ACNT-H790/H79A/H79B per il rilevamento della corrente, l'optoaccoppiatore di rilevamento della tensione ACNT-H870/H87A/H87B e quello analogico a bassa velocità ACNT-H50L/H511. Nell'esempio di un inverter trifase che converte l'alimentazione c.c./c.a. in un carico (motore), la Figura 1 evidenzia le varie posizioni di isolamento e lo scopo di ogni tipo di optoaccoppiatore ACNT. Gli optoaccoppiatori ACNT sono affidabili e facili da usare.

Figura 1: Optoaccoppiatori ACNT per varie esigenze di isolamento in un inverter. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

Tendenze e requisiti per l'alta tensione

Nei segmenti di mercato dell'energia rinnovabile (solare o eolica), dei sistemi di trazione e sanitari, vi è la tendenza verso tensioni del bus c.c. più elevate o requisiti di immunità all'alta tensione transitoria. I nuovi impianti solari e fotovoltaici stanno passando da 1000 V_c.c. a 1500 V_c.c. Questo passaggio porta a una maggiore efficienza energetica e a una riduzione dei costi.

A questi due vantaggi ha contribuito la possibilità di formare un maggior numero di blocchi fotovoltaici per stringa (una stringa più lunga di array fotovoltaici). I combiner box consolidano la potenza in entrata in un'unica alimentazione principale. Diminuendo sempre più il numero di stringhe fotovoltaiche, diminuisce anche la necessità di combiner box. La maggiore tensione c.c. in ingresso riduce anche le perdite di energia del filo (rame). Complessivamente, il sistema a 1500 V presenta meno connessioni tra gli array di stringhe fotovoltaiche e l'inverter rispetto ai sistemi a 1000 V o a tensioni c.c. inferiori. La maggiore densità di potenza e la riduzione delle attrezzature abbassano anche i costi di manutenzione e di manodopera. Fra le sfide del sistema a 1500 V vi sono la sicurezza elettrica e la gamma completa di standard di certificazione dei componenti. L'isolamento tra il modulo di controllo e i prodotti di potenza deve poter resistere all'alta tensione (costante e transitoria) e alla relativa distanza di isolamento superficiale (Figura 2). Gli optoaccoppiatori ACNT di 15 mm di larghezza di Broadcom sono in grado di soddisfare questi requisiti.

Figura 2: Impianto di generazione di energia fotovoltaica - 1500 V. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

Nella soluzione eolica del segmento delle energie rinnovabili, gli optoaccoppiatori ACNT stanno diventando popolari nei paesi europei nel quadro di un programma nazionale di rinnovamento della rete di distribuzione per sostituire le centrali nucleari con risorse rinnovabili.

La Figura 3 mostra l'isolamento del convertitore di frequenza utilizzando l'optoaccoppiatore a basso consumo ACNT-H61L da 10 MBd di 15 mm di larghezza. Questi componenti isolano i segnali di controllo e di retroazione dei guasti tra il controllo in bassa tensione e IGBT in alta tensione. In un altro sottosegmento della rete elettrica, l'adozione della rete intelligente migliora la misurazione delle linee di distribuzione in bassa o media tensione. Per la sicurezza e l'isolamento dell'alta tensione dalla comunicazione dati, nella trifase (>400 V_c.a.) serve una distanza di isolamento superficiale più ampia. La sicurezza ha un'importanza maggiore anche nella rete intelligente. L'affidabilità a lungo termine dell'optoaccoppiatore analogico a bassa velocità ACNT-H50L contribuisce a garantire una comunicazione dati isolata e sicura.

Figura 3: Energia rinnovabile - Convertitore di frequenza per soluzioni eoliche. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

Un altro esempio di applicazione ad alta tensione è il controllo della trazione di sistemi a rotaia leggera o monorotaia. In questi sistemi, gli optoaccoppiatori ACNT sono utilizzati nella conversione c.c./c.c. di 1500 V. La Figura 4 illustra un convertitore di potenza monorotaia con una tensione del bus di 1500 V_c.c.. Ci sono quattro optoaccoppiatori digitali per l'interfaccia di controllo isolata di alta-bassa tensione e due amplificatori di isolamento di rilevamento e controllo del livello di tensione isolata. Sono presenti anche optoaccoppiatori analogici a bassa velocità per la comunicazione I/O isolata che garantiscono isolamento da alta tensione a fini di affidabilità e robustezza in ambienti ad alto rumore.

Figura 4: Convertitore di potenza in applicazioni di trazione. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

In ambiente sanitario, la 4^a edizione dello standard medicale IEC 60601-1-2 stabilisce un livello ESD maggiore per i tipi a contatto e a scarica in aria. Questo test del tipo di immunità ESD si applica tra la circuiteria di rilevamento (ad esempio, pressione sanguigna, ECG), dove il paziente è a contatto diretto con l'apparecchiatura e la scheda di controllo di un dispositivo di monitoraggio del paziente. ACNT-H61L soddisfa questo requisito rivisto con una sovratensione transitoria di 12.000 V_c.a.. L'ampia distanza di isolamento superficiale e quella minima in aria permettono un più ampio spazio di isolamento e riducono al minimo la formazione di un arco elettrico.

Revisione degli standard normativi

L'armonizzazione degli organismi normatori internazionali UL e IEC ha portato a requisiti più severi in materia di distanza di isolamento superficiale e minima in aria. Dal 2016, la UL 508C (Apparecchiature di conversione di potenza) è passata a IEC 61800-5-1 (sistemi di azionamento elettrico a velocità regolabile). Per mantenere le stesse specifiche nominali, è necessaria una maggiore distanza di isolamento superficiale e minima in aria. Ad esempio, per rinforzare un isolamento di 690 V_c.a. nominali, serve una distanza di isolamento superficiale e minima in aria di almeno 13,8 mm.

Nei sistemi medicali, gli optoaccoppiatori ACNT presentano dei vantaggi nel far fronte alla sovratensione transitoria di scarica ad elevata immunità ESD necessaria attraverso una barriera di isolamento. Nell'applicazione di monitoraggio dei pazienti, il test del tipo di immunità ESD si applica tra la circuiteria di rilevamento (ad esempio, pressione sanguigna, ECG) dove il paziente è a contatto diretto con l'apparecchiatura e la scheda di controllo del dispositivo. La nuova quarta edizione dello standard sulle apparecchiature medicali elettriche, IEC 60601-1-2, si occupa delle attuali interferenze elettromagnetiche (EMI) per i dispositivi medicali che sono sempre più utilizzati al di fuori degli ospedali, aumentando i livelli di scarica dell'immunità ESD durante il collaudo dei dispositivi medicali (Figura 5) ACNT-H61L, utilizzato nei dispositivi di monitoraggio dei pazienti, presenta i vantaggi di un'elevata capacità nominale di sovratensione transitoria di 12.000 V_picco e i suoi 15 mm di distanza di isolamento superficiale e minima in aria consentono uno spazio di isolamento più ampio per ridurre al minimo la possibilità di formazione dell'arco elettrico.

Figura 5: Soddisfare le esigenze di alta tensione di isolamento nei sistemi medicali - ACNT-H61L. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

Optoaccoppiatori ACNT di Broadcom

Gli optoaccoppiatori di Broadcom hanno prestazioni eccellenti e possono sostenere picchi transitori di alta tensione (forma d'onda di tensione di 1,2 µs / 50 µs). Secondo lo standard di sicurezza dei componenti IEC 60747-5-5, gli optoaccoppiatori ACNT di Broadcom superano il picco di 25 kV, a condizione che non vi sia foratura o guasto parziale dell'isolamento solido a meno di 5 pC di scarica parziale. Come mostrato nella Figura 6, ACNT-H50L viene testato in condizioni senza aria per eliminare la formazione di arco elettrico in presenza di un picco transitorio di alta tensione (rif. rapporto sui risultati del test TUV).

Figura 6: Gli optoaccoppiatori di Broadcom soddisfano i requisiti di picco transitorio ad alta tensione secondo IEC 60747-5-5. (Immagine per gentile concessione di Broadcom Limited)

In sintesi

ACNT-H343 è un nuovissimo optoaccoppiatore di pilotaggio del gate da 5 A in un contenitore SSO-8 da 15 mm progettato per applicazioni industriali ad alta tensione e con limitazioni di spazio, inclusi comandi di motori da 690 V_c.a. e inverter solari da 1500 V. ACNT-H343 è dotato di un'immunità ai transitori di modo comune (CMTI) superiore a 100 kV/μs che impedisce errori di gate driver errati in ambienti rumorosi. Il dispositivo ha un ritardo di propagazione minimo ed è tre volte più veloce di quello della generazione precedente. Questo permette la commutazione ad alta frequenza per migliorare l'efficienza di pilotaggio di IGBT (transistor bipolari a gate isolato) e MOSFET SiC/GaN.

ACNT-H61L è un optoaccoppiatore digitale a basso consumo da 10 MBd che richiede solo un minimo di 4,5 mA per la corrente di pilotaggio di LED, dato che il circuito integrato del rilevatore consuma al massimo 2 mA di I_DD nell'intero intervallo della temperatura di funzionamento. Il CI rilevatore presenta un'uscita CMOS. La gabbia di Faraday interna assicura un'immunità garantita ai transitori di modo comune di 20 kV/µs. ACNT-H61L è adatto alla comunicazione e al controllo di interfacce logiche isolate in sistemi di conversione dell'alimentazione transitoria o ad alta tensione.

ACNT-H50L/H511 è un optoaccoppiatore a canale singolo da 1 MBd con uscita del transistor a collettore aperto. Connessioni separate per la polarizzazione del fotodiodo e il collettore del transistor di uscita aumentano la velocità fino a cento volte quella di un fototransistor convenzionale, riducendo la capacità del collettore di base. ACNT-H50L/H511 è adatto per applicazioni come la retroazione di controllo dell'alimentazione o di guasto isolato, analogica a bassa velocità.

I sensori di tensione ACNT-H87B (tolleranza di guadagno ±0,5%), ACNT-H87A (tolleranza di guadagno ±1%) e ACNT-H870 (tolleranza di guadagno ±3%) sono amplificatori di isolamento ottico progettati appositamente per rilevare la tensione. L'intervallo di ingresso a 2 V e l'alta impedenza di ingresso a 1 GΩ soddisfano i requisiti di rilevamento della tensione isolata nelle applicazioni dei convertitori di potenza elettronici. In una tipica implementazione di rilevamento della tensione, per scalare la tensione del DC-link in base all'intervallo di ingresso del sensore di tensione viene utilizzato un divisore di tensione resistivo. Sul lato opposto della barriera di isolamento ottica viene creata una tensione di uscita differenziale proporzionale alla tensione di ingresso.

Gli amplificatori di isolamento ACNT-H79B (tolleranza di guadagno ±0,5%), ACNT-H79A (tolleranza di guadagno ±1%) e ACNT-H790 (tolleranza di guadagno ±3%) sono progettati per il rilevamento di corrente e tensione nelle applicazioni di convertitori di potenza elettronici. Questi optoaccoppiatori offrono la precisione e la stabilità necessarie per monitorare con precisione la corrente dei motori in ambienti ad alto rumore per migliorare (meno "ripple di coppia") il controllo di motori di vario tipo. Combinato con un'eccellente tecnologia di accoppiamento ottico, ACNT-H79B/H79A/H790 utilizza amplificatori sigma-delta (∑-∆) a modulazione analogico-digitale, stabilizzati con circuito chopper, e una topologia circuitale totalmente differenziale per fornire una reiezione del rumore in modalità di isolamento ineguagliabile, basso offset, elevata precisione di guadagno e stabilità.