【选型】实现工业自动化和太阳能逆变器小型化的光电耦合器解决方案

2020-03-03 Renesas
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工业自动化和太阳能逆变器设备制造商正面临着巨大的压力,既要缩小尺寸以节约成本,同时还要满足新 安全标准有关电子隔离组件提供更大的爬电距离和间隙距离的要求,而工程师们凭借现有的隔离组件无法 同时实现这两个目标。本白皮书将分析这些行业趋势背后的一些原因,并介绍全新的瑞萨电子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 产品系列。这些新产品旨在帮助工程师同时满足这两个挑战性要求。这些新产品可以在通 用逆变器电路的典型 MCU 到逆变器隔离接口部分,缩小 35%的电路板空间,同时满足新安全标准的爬电 距离和间隙距离要求。


在机器人控制器、交流伺服系统和通用逆变器等工业自动化设备中,需要缩小设备尺寸来提高厂房利用率, 但同时也要提高爬电距离来满足更严格的安全标准。同样,由于安装位置的尺寸限制,太阳能逆变器和电 池系统等绿色能源系统也需要缩小尺寸,但爬电距离不能改变。就这种情况而言,隔离器件就存在设备小 型化问题。本文将说明如何选择隔离器件以缩小尺寸,重点介绍瑞萨电子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 光电耦合器,它们采用全球最小封装,同时拥有这些应用所要求的较长爬电距离。

设备小型化问题

高压工业自动化设备和绿色能源系统需要使用低功耗电机控制电路并降低功率转换损耗,因此通常采用图 1 中的通用逆变器电路。

逆变器电路中包含各种光电耦合器。IGBT 驱动器和 IPM 驱动器用于将逆变器控制信号(PWM)从 MCU 传送 到 IGBT 等功率器件。隔离放大器和 Δ-Σ 调制器用于监视总线电压和检测电机电流。逆变器电路可能会有 两个 MCU。一个用于高压模块中电机驱动的逆变器控制,另一个用于低压模块中的通信和显示控制。通信 耦合器用于 MCU 和 I/O 之间的通信。 下文描述了小型化要求的背景信息和选择隔离器件的问题。


设备小型化背景信息

在工业自动化设备中,需要缩小尺寸来同时满足提高生产率和节能降耗这两大要求。缩小尺寸旨在实现以 下目标: 

1) 节省空间:减少占地空间,减少厂房投资,缩短工艺作业时间,通过缩短工厂运输时间来缩短 TAT (开发周期),通过缩短设施间的距离提高人均管理设施数量,改进相同占用空间内的设备功能(例如, 增加机器人轴的数量),从而提高单位厂房面积的生产率。 

2) 建立灵活的生产线:根据需求波动和改进活动轻松更改工厂布局(易于安装、运输和配置) 

3) 环保:减少用料(外壳、电路板、导线等),降低整间工厂的空调和照明等功耗,降低各设备(卡车、 船只、飞机等)的运输能耗。 

事实上,为了满足这些要求,不仅机器人控制器、交流伺服系统和逆变器等设备尺寸在逐渐缩小,还逐渐 实现了互联设备的集成,例如伺服驱动器和电机。 


而零能耗住宅(ZEH)的发展趋势意味着未来需要安装更多的家用太阳能逆变器,但朝北外墙或住宅内部的安 装空间有限。缩小这些组件的尺寸也会减轻运输和建筑施工的负担,从而降低总成本。


更严格的安全标准

由于电机驱动设备标准从 UL508C 更改为 UL61800-5-1,因此需要加强绝缘的 AC200V 设备必须使用爬电 距离更长的隔离器件。此外,从 UL508 改为 PLC(可编程逻辑控制器)等控制器件标准 UL61010-2-201, 也要求提高爬电距离,并替换为适合 AC200V 加强绝缘应用的隔离器件。提高爬电距离的要求与前文提到 的缩小工业自动化设备尺寸的要求相悖,两者彼此矛盾,但必须要予以解决。 此外,功能安全标准 IEC61508 中还增加了一项最新要求,即在多通道通信中,必须验证一个通道损坏或 发生故障是否会影响其他通道。为支持这一要求,需要选择一种能够确保各个通道彼此独立的隔离器件。


高温工作

最后,由于尺寸缩小,设备内部的温度可能会升高。因此,必须选择一种小型耐高温隔离器件。


小型化特性要求

未来许多逆变器和自动化设备应用要求隔离器件具备以下特性: 

• 小尺寸 

• 爬电距离长 

• 耐高温


瑞萨电子光电耦合器 – RV1S92xxA、RV1S22xxA 

瑞萨电子的 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 是业界最小的长爬电距离光电耦合器,具有较小的引线间距,同时 保持 8.2 毫米的爬电/间隙距离,如图 2 所示。为满足客户需求,帮助他们解决上述问题,我们提供具有各 种功能的产品。表 1 列出了 RV1S92xxA 系列 IC 输出耦合器,表 2 列出了晶体管输出 RV1S22xxA 系列产 品。

主要功能 

图 3 显示 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 的横截面结构。它们采用双模结构,LED 和光电探测器 IC 面对面, 确保绝缘距离为 150 微米。这不同于数字隔离器的片上结构,数字隔离器的绝缘距离通常约为 10 微米,并 且输入和输出之间的距离更大。 此外,如果考虑使用寿命终止时的情况,由于 LED 的亮度降低,光电耦合器会处于打开模式;而数字隔离 器会由于氧化膜或聚酰亚胺膜破裂而处于短路模式,可能会导致触电事故。40 多年来,许多应用都将光电 耦合器用作隔离器件,有助于提高系统安全。

在上文所示的逆变器电路示例中,MCU 和 ASIC 之间的通信接口部分通过使用 15Mbps RV1S9260A 和晶 体管输出 RV1S2281A,与图 4 所示的传统 8 毫米爬电距离 LSO5 和 LSOP 相比,安装面积可减小 35%。 此外,功率器件(智能功率模块)也缩小了尺寸,通过使用 IPM 驱动器 RV1S9213A 传送 PWM 信号,使 用晶体管输出 RV1S2281A 提供故障信号反馈,可减小 IPM 和 MCU 之间的隔离面积。由于它们各自都是 单通道产品,因此可以根据 IPM 引脚连接来安排隔离器件的布局(光电耦合器布局)。

更严格的安全标准 

由于电机驱动设备标准从 UL508C 更改为 UL61800-5-1,因此 AC200V 设备的加强绝缘要求提供 5.5 毫米 的爬电/间隙距离。因而,不再使用爬电/间隙距离为 4.2-5 毫米的 SSOP/SO5 器件。图 5 显示用于 LSSO5 的 RV1S92xxA 和用于 LSSOP 的 RV1S22xxA 均缩短了引脚间距方向的长度,可确保 8.2 毫米的爬电/间隙 距离。如图 4 所示,可以在缩小设备尺寸的同时满足新的安全要求。

此外,考虑到从 UL508 标准改为 PLC(可编程逻辑控制器)等控制器件标准 UL61010-2-201,隔离器件 需要更换为爬电距离为 6 毫米的隔离器件,以满足 AC200V 加强绝缘应用的要求。LSSO5 的 RV1S92xxA 和 LSSOP 的 RV1S22xxA 也支持这一要求。 由于这些是单通道产品,因此可以尽量减少该隔离部分的验证,以满足功能安全性 IEC61508 要求。


高温工作

RV1S92xxA 支持业界最高的 125℃工作温度,而 RV1S22xxA 也支持 115℃高温工作,因此非常适合 IPM 附近的配电板应用。


结论

RV1S92xxA 支持业界最高的 125℃工作温度,而 RV1S22xxA 也支持 115℃高温工作,因此非常适合 IPM 附近的配电板应用。


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型号- SCQ,KEL-5315C,KE2N23F-XX,SEL3528-01,SST553R-01,SPDI441 - 30F,SST553R-02,SHB- XX - 5780 - 01,ST-1MLA,ST-1MLB,SEL388-01,SEL755-01,SCL-100-5780,SIR801,ST809-14-5780,SIT303-DR,SST433R-10,R123V-7I2,R123V - 712,SP-1ML,SEP,HPI6FER2(H),SPDA992 - 05,SP - 1KL,SEP W,SEP Z,SGL324-02,R203V-7CL,SPDA-BD,SHB-100-5780-01,ST806-09-5780,SML766L - 01,SRM603LM2M-2,SG-105LF,KEL - 1ML2,SPDE52-J,SST388 - 01,SFL- XX-5780,SIS-ED04(ST),SHB-XX-5780,SIC553-03,SIC553-04,SPDI753R - 01,SIC553-01,SRV1206-04,SIC553-02,EL - 1CL3,SIS-PT12(ST),SPDI488 - 01,ST815-28-5780,SIS - PT12(ST),SP - 1ML,SST533R - 03,CL-1KL3,SST533R - 04,SIT512-C1,SBL60-5780,CL-1KL7,SML955 - 03,SML766L-01,SML955 - 04,SIT512-CM,ST812-20-5780,SPDI752 - 01K,SIT401P,SST324R - 02,SPDI441R-16F,SPN-S6DN2,SIA101,SIT206F,SIR-SD5,SIM304,SPN-S6TN1,R903V - 7CL,SST533R - 02P(T),SPDI433-01,EL-1KL5,ORD1S06,SPDI488-01,EL-1KL3,CL-203,SBV533-06,ST-1CL3H,SHB-XX-5780-01,SFIC553 - 02,SIS - PT19,CL-207,SFIC553 - 01,CL-209,SIS - PT18,SIS - PT24,SIC553S-04,SIS - PT20,SCG01-F68,SHB-150-5780,KEL - 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03,SFL-100-5780,SML955-04,SML955-03,SGL324 - 02,SIC209D,SCG01 - F68,SCL-200-5780,CL - 1CL3,SIT604,SEL955-02,SEL955-03,SIT601,SIT602,SEL854 - 01L,SPDI441R - 25F,SPD27-2CK,SRV0805 - 01,SIR765 - 02,SE302F - ZXX,SST753R - 01,SIS - PT04,SIS - PT05,SST662 - 01,SIS - PT03,SEL3315,SEL553 - 03,SEL553 - 02,SIS - ED18,SHB-100-5780,KIR5105J,SIR501G,KE2N23F - XX,SDS1A015 - 02,EL - 1K3,KIT3025S,SWL5050-03,SIS - PT08,SCM02- B38,SIS - PT07,KE2N23F- XX,SIS - PT16,SEL324 - 02,SEP08-W18-2PL,SIS - PT12,KEF302500CB,ST8XX-XX-5780,SIS - ED20,SPDI542R-F4(J),SUVM375-01,SPN - S6TN1,SEL323 - 04L,SST854R-01L,KDT - 6315A,SEL334 - 01,SEL334 - 02,SPDA992-05,SEL334 - 03,SPDI533R - 02,SFL-XX-5780,SPN - S6DN2,SPDI753R-01,OEA-01,SBL-60-5780,SPDI441R - 16F,SIS-PT06(ST),SG-105,SIR501 - C,KIT3035S,SIS - ED04(ST),SST955R - 01,SIR501-C,SCA02 - W713,SF-11,SF-12,SST955R - 02,SBV0805-01,SF-10,SEL955 - 02,SF-13,SEL955 - 03,SF-14,SIS - ED0

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商品及供应商介绍  -  群芯微  - 2022/3/23 PDF 中文 下载

光电耦合器的产品应用

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应用及方案  -  群芯微  - 2022/11/27 PDF 中文 下载

光耦合器:原理、应用与发展

光耦合器作为一种重要的光电转换器件,在许多领域都发挥着重要作用。随着科技的不断发展,光耦合器在性能、尺寸、集成度、智能化等方面都将得到进一步改善,其应用领域也将不断扩大。未来,光耦合器将在通信、传感器、自动控制等众多领域发挥更加重要的作用,推动社会的科技进步与发展。

技术探讨    发布时间 : 2024-04-05

数字隔离器完美替代光耦合器,有效改善电源效率、效能、可靠性

Silicon Labs 推出可直接替代光耦合器的数字隔离器si87xx,隔离等级高达5kV,并完全符合IEC 60747-5-2规范,包括10kV电涌保护。且完美的引腳配置和封裝可兼容多种光电耦合器产品。

新产品    发布时间 : 2016-09-26

奥伦德完成数亿元C轮融资,光耦产能将提升一倍,加大在光伏储能、工业自动化、新能源汽车等市场布局

近日,奥伦德完成数亿元C轮融资。本轮融资将用于完善产品和扩充产能,并加大在光伏储能、工业自动化、新能源汽车等市场的布局。通过本轮融资,奥伦德光耦产能将提升一倍,并且会建立首条全自动光耦生产线,支持机器人和机器手作业,全流程IT化,自动化。

厂牌及品类    发布时间 : 2023-02-02

【应用】取代传统基于模拟架构的光电耦合器,Silicon Labs推出更可靠数字隔离器解决方案

新型Si827x ISOdriver系列数字隔离产品,提供了栅极驱动器市场中最高抗扰能力其领先的共模瞬变抗扰能力(CMTI),这使得Si827x驱动器非常适用于具有快速开关和潜在噪声的电源系统。

新产品    发布时间 : 2016-05-03

国产光电耦合器IDM龙头品牌奥伦德完成数亿元C轮融资,将建立国内首条全自动光耦生产线,助力工业、新能源汽车等行业

奥伦德宣布,其近期已顺利完成数亿元C轮融资,本轮融资由国风投领投,中芯聚源、华登国际、中电投融和、深投控赛格、同威等机构共同投资。公司将完善产品和扩充产能,并加大在光伏储能、工业自动化、新能源汽车等市场的布局,进一步夯实光耦国产龙头品牌地位。

厂牌及品类    发布时间 : 2023-01-01

光电耦合器应用介绍

型号- QX304X,QX302X,QXX213,QX3H7,QXM601,QX3H4,QX816,QX0602,QX3150,QX817,QX0601,QX814,QX21X,QX306X,QX357,QX314,QX356,QXS341,QX354,QXC79X,QX17X,6N137,QX303X,QXX223,QX101X,QX3120,QX7840,QX305X,QX8801-S,QX316J,QX332J,QX341,QX481,QX8801-L,QX480,QXS314,QXW611

商品及供应商介绍  -  群芯微  - 2022/1/20 PDF 中文 下载

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