引言

 

在機(jī)器人控制器、交流伺服系統(tǒng)和通用逆變器等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，需要縮小設(shè)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(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。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(tǒng)等綠色能源系統(tǒng)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(shè)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(yīng)用所要求的較長(zhǎng)爬電距離。

 

 

設(shè)備小型化問(wèn)題

 

高壓工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和綠色能源系統(tǒng)需要使用低功耗電機(jī)控制電路并降低功率轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)器和 IPM 驅(qū)動(dòng)器用于將逆變器控制信號(hào)(PWM)從 MCU 傳送到 IGBT 等功率器件。隔離放大器和 Δ-Σ 調(diào)制器用于監(jiān)視總線(xiàn)電壓和檢測(cè)電機(jī)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(jī)驅(qū)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(shè)備小型化背景信息

 

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

 

1) 節(jié)省空間：減少占地空間，減少?gòu)S房投資，縮短工藝作業(yè)時(shí)間，通過(guò)縮短工廠(chǎng)運(yùn)輸時(shí)間來(lái)縮短 TAT（開(kāi)發(fā)周期），通過(guò)縮短設(shè)施間的距離提高人均管理設(shè)施數(shù)量，改進(jìn)相同占用空間內(nèi)的設(shè)備功能（例如，增加機(jī)器人軸的數(shù)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(jù)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(yùn)輸和配置）

 

3) 環(huán)保：減少用料（外殼、電路板、導(dǎo)線(xiàn)等），降低整間工廠(chǎng)的空調(diào)和照明等功耗，降低各設(shè)備（卡車(chē)、船只、飛機(jī)等）的運(yùn)輸能耗。

 

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

 

而零能耗住宅(ZEH)的發(fā)展趨勢(shì)意味著未來(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(nèi)部的安裝空間有限。縮小這些組件的尺寸也會(huì)減輕運(yùn)輸和建筑施工的負(fù)擔(dān)，從而降低總成本。

 

更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)

 

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此需要加強(qiáng)絕緣的 AC200V 設(shè)備必須使用爬電距離更長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn) UL61010-2-201，也要求提高爬電距離，并替換為適合 AC200V 加強(qiáng)絕緣應(yīng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn) IEC61508 中還增加了一項(xiàng)最新要求，即在多通道通信中，必須驗(yàn)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(dú)立的隔離器件。

 

高溫工作

 

最后，由于尺寸縮小，設(shè)備內(nèi)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(shè)備應(yīng)用要求隔離器件具備以下特性：
 

• 小尺寸

• 爬電距離長(zhǎng)

• 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(zhǎng)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(tǒng)封裝 LSO5 和新 LSSO5 對(duì)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(jié)構(gòu)。它們采用雙模結(jié)構(gòu)，LED 和光電探測(cè)器 IC 面對(duì)面，確保絕緣距離為 150 微米。這不同于數(shù)字隔離器的片上結(jié)構(gòu)，數(shù)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(shù)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(dǎo)致觸電事故。40 多年來(lái)，許多應(yīng)用都將光電耦合器用作隔離器件，有助于提高系統(tǒng)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(tǒng) 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(qū)動(dòng)器 RV1S9213A 傳送 PWM 信號(hào)，使用晶體管輸出 RV1S2281A 提供故障信號(hào)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(jù) 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(duì)比

 

更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)

 

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此 AC200V 設(shè)備的加強(qiáng)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(zhǎng)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(shè)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(duì)比

 

此外，考慮到從 UL508 標(biāo)準(zhǔn)改為 PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標(biāo)準(zhǔn) 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(qiáng)絕緣應(yīng)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(yàn)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(yīng)用。

 

結(jié)論

 

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

 

 

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