引言

 

在機器人控制器、交流伺服系統和通用逆變器等工業(yè)自動(dòng)化設備中，需要縮小設備尺寸來(lái)提高廠(chǎng)房利用率，但同時(shí)也要提高爬電距離來(lái)滿(mǎn)足更嚴格的安全標準。同樣，由于安裝位置的尺寸限制，太陽(yáng)能逆變器和電池系統等綠色能源系統也需要縮小尺寸，但爬電距離不能改變。就這種情況而言，隔離器件就存在設備小型化問(wèn)題。本白皮書(shū)將說(shuō)明如何選擇隔離器件以縮小尺寸，重點(diǎn)介紹瑞薩電子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA光電耦合器，它們采用全球最小封裝，同時(shí)擁有這些應用所要求的較長(cháng)爬電距離。

 

 

設備小型化問(wèn)題

 

高壓工業(yè)自動(dòng)化設備和綠色能源系統需要使用低功耗電機控制電路并降低功率轉換損耗，因此通常采用圖

 

1 中的通用逆變器電路。

 

圖 1. 通用逆變器電路

 

逆變器電路中包含各種光電耦合器。IGBT 驅動(dòng)器和 IPM 驅動(dòng)器用于將逆變器控制信號(PWM)從 MCU 傳送到 IGBT 等功率器件。隔離放大器和 Δ-Σ 調制器用于監視總線(xiàn)電壓和檢測電機電流。逆變器電路可能會(huì )有兩個(gè) MCU。一個(gè)用于高壓模塊中電機驅動(dòng)的逆變器控制，另一個(gè)用于低壓模塊中的通信和顯示控制。通信耦合器用于 MCU 和 I/O 之間的通信。

 

下文描述了小型化要求的背景信息和選擇隔離器件的問(wèn)題。

 

設備小型化背景信息

 

在工業(yè)自動(dòng)化設備中，需要縮小尺寸來(lái)同時(shí)滿(mǎn)足提高生產(chǎn)率和節能降耗這兩大要求?？s小尺寸旨在實(shí)現以下目標：

 

1) 節省空間：減少占地空間，減少廠(chǎng)房投資，縮短工藝作業(yè)時(shí)間，通過(guò)縮短工廠(chǎng)運輸時(shí)間來(lái)縮短 TAT（開(kāi)發(fā)周期），通過(guò)縮短設施間的距離提高人均管理設施數量，改進(jìn)相同占用空間內的設備功能（例如，增加機器人軸的數量），從而提高單位廠(chǎng)房面積的生產(chǎn)率。

 

2) 建立靈活的生產(chǎn)線(xiàn)：根據需求波動(dòng)和改進(jìn)活動(dòng)輕松更改工廠(chǎng)布局（易于安裝、運輸和配置）

 

3) 環(huán)保：減少用料（外殼、電路板、導線(xiàn)等），降低整間工廠(chǎng)的空調和照明等功耗，降低各設備（卡車(chē)、船只、飛機等）的運輸能耗。

 

事實(shí)上，為了滿(mǎn)足這些要求，不僅機器人控制器、交流伺服系統和逆變器等設備尺寸在逐漸縮小，還逐漸實(shí)現了互聯(lián)設備的集成，例如伺服驅動(dòng)器和電機。

 

而零能耗住宅(ZEH)的發(fā)展趨勢意味著(zhù)未來(lái)需要安裝更多的家用太陽(yáng)能逆變器，但朝北外墻或住宅內部的安裝空間有限?？s小這些組件的尺寸也會(huì )減輕運輸和建筑施工的負擔，從而降低總成本。

 

更嚴格的安全標準

 

由于電機驅動(dòng)設備標準從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此需要加強絕緣的 AC200V 設備必須使用爬電距離更長(cháng)的隔離器件。此外，從 UL508 改為 PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標準 UL61010-2-201，也要求提高爬電距離，并替換為適合 AC200V 加強絕緣應用的隔離器件。提高爬電距離的要求與前文提到的縮小工業(yè)自動(dòng)化設備尺寸的要求相悖，兩者彼此矛盾，但必須要予以解決。

 

此外，功能安全標準 IEC61508 中還增加了一項最新要求，即在多通道通信中，必須驗證一個(gè)通道損壞或發(fā)生故障是否會(huì )影響其他通道。為支持這一要求，需要選擇一種能夠確保各個(gè)通道彼此獨立的隔離器件。

 

高溫工作

 

最后，由于尺寸縮小，設備內部的溫度可能會(huì )升高。因此，必須選擇一種小型耐高溫隔離器件。

 

小型化特性要求

 

未來(lái)許多逆變器和自動(dòng)化設備應用要求隔離器件具備以下特性：
 

• 小尺寸

• 爬電距離長(cháng)

• 耐高溫

 

瑞薩電子光電耦合器 – RV1S92xxA、RV1S22xxA

 

瑞薩電子的 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 是業(yè)界最小的長(cháng)爬電距離光電耦合器，具有較小的引線(xiàn)間距，同時(shí)保持 8.2 毫米的爬電/間隙距離，如圖 2 所示。為滿(mǎn)足客戶(hù)需求，幫助他們解決上述問(wèn)題，我們提供具有各種功能的產(chǎn)品。表 1 列出了 RV1S92xxA 系列 IC 輸出耦合器，表 2 列出了晶體管輸出 RV1S22xxA 系列產(chǎn)品。

 

圖 2. 傳統封裝 LSO5 和新 LSSO5 對比

 

表 1：RV1S92xxA 系列

 

表 2：RV1S22xxA 系列

 

主要功能

 

圖 3 顯示 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 的橫截面結構。它們采用雙模結構，LED 和光電探測器 IC 面對面，確保絕緣距離為 150 微米。這不同于數字隔離器的片上結構，數字隔離器的絕緣距離通常約為 10 微米，并且輸入和輸出之間的距離更大。

 

此外，如果考慮使用壽命終止時(shí)的情況，由于 LED 的亮度降低，光電耦合器會(huì )處于打開(kāi)模式；而數字隔離器會(huì )由于氧化膜或聚酰亞胺膜破裂而處于短路模式，可能會(huì )導致觸電事故。40 多年來(lái)，許多應用都將光電耦合器用作隔離器件，有助于提高系統安全。

 

圖 3. RV1S92xxA/RV1S22xxA 的橫截面視圖

 

在上文所示的逆變器電路示例中，MCU 和 ASIC 之間的通信接口部分通過(guò)使用 15Mbps RV1S9260A 和晶體管輸出 RV1S2281A，與圖 4 所示的傳統 8 毫米爬電距離 LSO5 和 LSOP 相比，安裝面積可減小 35%。此外，功率器件（智能功率模塊）也縮小了尺寸，通過(guò)使用 IPM 驅動(dòng)器 RV1S9213A 傳送 PWM 信號，使用晶體管輸出 RV1S2281A 提供故障信號反饋，可減小 IPM 和 MCU 之間的隔離面積。由于它們各自都是單通道產(chǎn)品，因此可以根據 IPM 引腳連接來(lái)安排隔離器件的布局（光電耦合器布局）。

 

圖 4. LSO5/LSOP 和 LSSO5/LSSOP 的安裝面積對比

 

更嚴格的安全標準

 

由于電機驅動(dòng)設備標準從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此 AC200V 設備的加強絕緣要求提供 5.5 毫米的爬電/間隙距離。因而，不再使用爬電/間隙距離為 4.2-5 毫米的 SSOP/SO5 器件。圖 5 顯示用于 LSSO5的 RV1S92xxA 和用于 LSSOP 的 RV1S22xxA 均縮短了引腳間距方向的長(cháng)度，可確保 8.2 毫米的爬電/間隙距離。如圖 4 所示，可以在縮小設備尺寸的同時(shí)滿(mǎn)足新的安全要求。

 

圖 5. LSSO5/LSSOP、SSOP 和 SO5 的對比

 

此外，考慮到從 UL508 標準改為 PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標準 UL61010-2-201，隔離器件需要更換為爬電距離為 6 毫米的隔離器件，以滿(mǎn)足 AC200V 加強絕緣應用的要求。LSSO5 的 RV1S92xxA和 LSSOP 的 RV1S22xxA 也支持這一要求。

 

由于這些是單通道產(chǎn)品，因此可以盡量減少該隔離部分的驗證，以滿(mǎn)足功能安全性 IEC61508 要求。

 

高溫工作

 

RV1S92xxA 支持業(yè)界最高的 125℃工作溫度，而 RV1S22xxA 也支持 115℃高溫工作，因此非常適合 IPM附近的配電板應用。

 

結論

 

瑞薩電子針對工業(yè)自動(dòng)化設備和太陽(yáng)能逆變器，推出了世界上最小的長(cháng)爬電距離光電耦合器 RV1S92xxA和 RV1S22xxA，同時(shí)解決了設備小型化和滿(mǎn)足更嚴格安全標準的問(wèn)題。

 

 

推薦閱讀：