ACNT-Optokoppler von Broadcom mit 15 mm Kriechstrecke für Hochspannungsanwendungen

Einführung

Die Familie der ACNT-Optokoppler von Broadcom bietet 15 mm Kriechstrecke und 14,2 mm Luftstrecke für Hochspannungsisolationsanwendungen. Diese Optokoppler bieten 2262 V_Spitze Arbeitstrennspannung und 12.000 V_Spitze transiente Überspannungen in einem kompakten, schlanken SO-8-Gehäuse zur Oberflächenmontage. Die ACNT-Optokoppler umfassen verschiedene Produkttypen entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen an die galvanische Trennung und mit unterschiedlichen Merkmalen. Diese sind: der Gate-Treiber-Optokoppler ACNT-H343, der energieeffiziente 10 MBd Digital-Optokoppler ACNT-H61L, die Isolationstrennverstärker ACNT-H790/H79A/H79B mit hoher Linearität zur Strommessung, die Optokoppler ACNT-H870/H87A/H87B zur Spannungsmessung und die Analog-Optokoppler ACNT-H50L/H511 für geringe Übertragungsraten. Am Beispiel eines 3-Phasen-Wechselrichters, der DC-Leistung für eine Last (Motor) in AC-Leistung wandelt, zeigt Abbildung 1 die verschiedenen Einsatzorte der Isolation und den Zweck von jedem Produkttyp der ACNT-Optokoppler. Die ACNT-Optokoppler sind zuverlässig und benutzerfreundlich.

Abbildung 1: ACNT-Optokoppler für unterschiedliche Isolationszwecke in einem Wechselrichter. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Trend zur Hochspannung und Anforderungen

In den Marktsegmenten erneuerbare Energie (Solar- oder Windkraft), Antriebsschlupfregelung und Medizintechnik ist ein Trend hin zu einer höheren DC-Busspannung zu beobachten, was mit neuen Anforderungen an die Störfestigkeit gegen Hochspannungstransienten einhergeht. Die neuen Solar/PV-Anlagen arbeiten vermehrt nicht mehr mit 1000 V_DC, sondern mit 1500 V_DC. Die Vorteile dieses Upgrades sind eine höhere Energieeffizienz und geringere Kosten.

Ein entscheidender Faktor für diese beiden Vorteile ist, dass so mehr PV-Blöcke in jeden Strang eingebunden werden können (ein längerer Strang von PV-Modulen). In den Generatoranschlusskästen wird der eingehende Strom zu einer Haupteinspeisung zusammengeführt. Bei längeren und weniger PV-Strängen sinkt der Bedarf an Generatoranschlusskästen. Durch die höhere DC-Eingangsspannung verringert sich auch die Kabelverlustleistung (Kupfer). Insgesamt sind für ein 1500V-System weniger Verbindungen zwischen PV-Strangmodulen und Wechselrichter erforderlich als bei einem System mit 1000 V oder noch niedrigerer DC-Spannung. Durch die höhere Leistungsdichte und die geringere Anzahl von Ausrüstungsteilen sinken auch die Arbeits- und Wartungskosten. Eine Herausforderung der 1500V-Systeme ist allerdings die elektrische Sicherheit und die gesamte Bandbreite der Zertifizierungsnormen für die Komponenten. Die Isolation zwischen dem Steuermodul und den Generatorprodukten muss Hochspannungsfestigkeit (ständig und vorübergehend) und die entsprechende Kriechstrecke aufweisen (Abbildung 2). Diese Anforderungen erfüllen die ACNT-Optokoppler von Broadcom mit ihrer Kriechstrecke von 15 mm.

Abbildung 2: PV-Stromgeneratorsystem – 1500 V. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Bei den Windkraftlösungen im Segment der erneuerbaren Energien werden die ACNT-Optokoppler zunehmend in den europäischen Ländern eingesetzt, in denen landesweite Programme die Umstellung der Verteilernetze auf die Nutzung erneuerbarer Ressourcen nach der Abschaltung von Kernkraftwerken fördern.

Abbildung 3 zeigt die Isolation des Frequenzumrichters durch den energieeffizienten 10-MBd-Optokoppler ACNT-H61L mit 15 mm Kriechstrecke. Diese Komponenten isolieren die Steuerungs- und Störungs-Feedbacksignale zwischen der Niederspannungssteuerung und den Hochspannungs-IGBTs. Mit zunehmendem Aufbau von Smart Grids (intelligenten Stromnetzen) wird in einem anderen Teilsegment der Stromversorgungsbranche die Messung in Nieder- oder Mittelspannungs-Verteilerleitungen immer wichtiger. Aus Sicherheitsgründen ist eine breitere Kriechstrecke für Messungen im 3-Phasennetz (>400 V_AC) erforderlich, um die Hochspannung von der Datenkommunikation zu isolieren. Im Smart Grid spielt auch die Sicherheit allgemein eine größere Rolle. Schon seit langem stellt der Low-Speed-Analog-Optokoppler ACNT-H50L seine Zuverlässigkeit bei der sicheren Isolation der Datenkommunikation unter Beweis.

Abbildung 3: Erneuerbare Energie – Frequenzwandler bei Windkraftlösungen. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Ein weiteres Beispiel für die Hochspannungsanwendung ist die Antriebsschlupfregelung in leichten Schienen- oder Monorail-Systemen. In diesen Systemen werden die ACNT-Optokoppler in 1500V-DC/DC-Wandlern eingesetzt. Abbildung 4 zeigt einen Monorail-Leistungswandler mit einer Busspannung von 1500 V_DC. Vier digitale Optokoppler sorgen hier für die Isolation von Hochspannung und Niederspannungssteuerung, zwei Spannungsmessungs-Trennverstärker für die Isolierung der Spannungspegelsteuerung und die Low-Speed-Analog-Optokoppler für die Isolation der I/O-Kommunikation. So wird eine zuverlässige und robuste Hochspannungsisolation in dem stark rauschanfälligen Umfeld gewährleistet.

Abbildung 4: Leistungswandler in Anwendungen zur Antriebsschlupfregelung. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Im Gesundheitswesen sieht die ^vierte Edition der Medizintechniknorm IEC 60601-1-2 eine höhere elektromagnetische Störfestigkeit (ESD) für Kontakt- und Abluftsysteme vor. Diese ESD-Störfestigkeit muss zwischen der Messschaltung (z. B. Blutdruck, EKG), wo die Patienten direkten Kontakt mit der Medizintechnik haben, und der Steuerplatine eines Patientenüberwachungsgeräts nachgewiesen werden. Mit einer transienten Überspannung von 12.000 V_AC wird der ACNT-H61L dieser überarbeiteten Anforderung gerecht. Seine breite Kriech- und Luftstrecke ermöglicht einen größeren Isolationsabstand und die Minimierung der elektrischen Lichtbogenbildung.

Überarbeitete Regulierungsstandards

Die Harmonisierung der internationalen Normungsgremien UL und IEC führte zu strengeren Anforderungen hinsichtlich Kriech- und Luftstrecken. Mit Beginn des Jahres 2016 wurde der Standard UL 508C (Stromrichter) in die Norm IEC 61800-5-1 (Elektrische Leistungsantriebssysteme mit einstellbarer Drehzahl) überführt. Für neue Antriebsmodelle sind damit breitere Kriech- und Luftstrecken erforderlich, um die gleiche Bewertungseinstufung zu erhalten. Zum Beispiel ist jetzt für die verstärkte Isolation einer Nennspannung von 690 V_AC eine Kriech- und Luftstrecke von mindestens 13,8 mm erforderlich.

In der Medizintechnik können die ACNT-Optokoppler ihre Vorteile bei der Gewährleistung der ESD-Störfestigkeit bei hohen transienten Überspannungen über eine Isolationsbarriere hinweg unter Beweis stellen. In Anwendungen zur Patientenüberwachung muss diese ESD-Störfestigkeit zwischen der Messschaltung (z. B. Blutdruck, EKG), wo die Patienten direkten Kontakt mit der Medizintechnik haben, und der Steuerplatine des Systems nachgewiesen werden. Um die Frage der elektromagnetischen Störfestigkeit (EMI) von modernen medizintechnischen Geräten zu regeln, die zunehmend außerhalb von Krankenhäusern benutzt werden, wurde die neue, vierte Edition der Medizintechniknorm IEC 60601-1-2 erarbeitet, die höhere ESD-Immunitätsstufen beim Testen von medizinischen Geräten vorsieht (Abbildung 5). Der in Systemen zur Patientenüberwachung eingesetzte ACNT-H61L hat den Vorteil einer hohen transienten Überspannung, die auf 12.000 V_Spitze ausgelegt ist, und seine 15 mm Kriech- und Luftstrecke ermöglicht einen größeren Isolationsabstand zur Minimierung der Lichtbogenbildung.

Abbildung 5: Erfüllt die hohen Anforderungen hinsichtlich der Spannungsisolation bei medizinischen Geräten – ACNT-H61L. (Bildquelle: Broadcom Limited)

ACNT-Optokoppler von Broadcom

Die Broadcom-Optokoppler weisen hervorragende Leistungsmerkale auf und sind gegen hohe Stoßspannung (1,2 µs / 50 µs Spannungsverlauf) immun. Wie von der Sicherheitsnorm IEC 60747-5-5 für Halbleiterbauelemente gefordert, bestehen die Broadcom-Optokoppler den 25-kV-Test spielend. Der Test gilt nur dann als bestanden, wenn es bei weniger als 5 pC Teilentladung keinerlei Durchschläge oder Teilausfälle der Feststoffisolierung gibt. Wie in Abbildung 6 gezeigt, wurde der ACNT-H50L unter Luftabschluss getestet, um elektrische Lichtbögen bei einer hohen Stoßspannung auszuschließen (siehe TÜV-Testbericht).

Abbildung 6: Die Broadcom-Optokoppler bestehen den Stoßspannungstest gemäß IEC 60747-5-5. (Bildquelle: Broadcom Limited)

Zusammenfassung

Der ACNT-H343 ist ein neuer 5A-Gate-Treiber-Optokoppler in einem 15mm-SSO-8-Gehäuse, der für industrielle Hochspannungsanwendungen mit beschränktem Platzangebot entwickelt wurde, etwa für 690V_AC-Motorantriebe und 1500V-Solar-Wechselrichter. Der ACNT-H343 besitzt eine Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) von mehr als 100 kV/µs, wodurch fehlerbedingte Gate-Treiber-Ausfälle in rauschbehafteten Umgebungen verhindert werden. Darüber hinaus bietet die neue Komponente eine minimale Laufzeitverzögerung, drei Mal kürzer als bei der vorherigen Generation, sodass das Schalten mit hoher Frequenz zur Verbesserung der Effizienz bei der Ansteuerung von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) und SiC-/GaN-MOSFET ermöglicht wird.

Der ACNT-H61L ist ein energieeffizienter 10-MBd-Digital-Optokoppler, der als LED-Ansteuerungsstrom nur 4,5 mA minimal benötigt, wobei der Detektor-IC maximal 2 mA I_DD über den gesamten Betriebstemperaturbereich verbraucht. Der Ausgang des Detektor-ICs ist ein CMOS-Ausgang. Die interne Faradaysche Abschirmung bietet eine garantierte Transienten-Gleichtaktunterdrückungs-Immunität von 20 kV/µs. Der ACNT-H61L wird in der isolierten Logikschnittstellen-Kommunikation und Steuerung in Hochspannungswandlersystemen oder in Wandlersystemen mit Stromtransienten eingesetzt.

Der ACNT-H50L/H511 ist ein 1-Kanal-1-MBd-Optokoppler mit Open-Collector-Transistorausgang. Durch separate Anschlüsse für die Fotodiodenvorspannung und den Collector des Ausgangstransistors, wodurch die Base-Collector-Kapazität verringert werden kann, konnte gegenüber einem herkömmlichen Fototransistor eine bis zu 100 Mal höhere Geschwindigkeit erreicht werden. Der ACNT-H50L/H511 eignet sich für Anwendungen wie z. B. isoliertes analoges Low-Speed-Fehler- oder Leistungsregelungs-Feedback.

Die Spannungssensoren ACNT-H87B (±0,5 % Verstärkungstoleranz), ACNT-H87A (±1 % Verstärkungstoleranz) und ACNT-H870 (±3 % Verstärkungstoleranz) sind optische Trennverstärker, die speziell für die Spannungsmessung entwickelt wurden. Mit ihrem 2V-Eingangsbereich und einer hohen 1GΩ-Eingangsimpedanz erfüllen sie die Anforderungen hinsichtlich der isolierten Spannungsmessung in elektronischen Leistungswandleranwendungen. In einer typischen Implementierung zur Spannungsmessung wird ein ohmscher Spannungsteiler verwendet, um die DC-Link-Spannung entsprechend dem Eingangsbereich des Spannungssensors zu skalieren. Auf der anderen Seite der optischen Isolationsbarriere wird dann eine Differenzausgangsspannung erzeugt, die der Eingangsspannung proportional ist.

Die Trennverstärker ACNT-H79B (±0,5 % Verstärkungstoleranz), ACNT-H79A (±1 % Verstärkungstoleranz) und ACNT-H790 (±3 % Verstärkungstoleranz) wurden für die Strom- und Spannungsmessung in elektronischen Leistungswandleranwendungen entwickelt. Diese Optokoppler bieten die Präzision und Stabilität, die erforderlich sind, um Motorströme in Umgebungen mit starkem Rauschen akkurat zu messen und eine weichere Steuerung (geringere „Drehmomentenwelligkeit“) in verschiedenen Arten von Motorsteuerungsanwendungen zu erreichen. In Kombination mit einer hervorragenden optischen Kopplungstechnologie verwendet der ACNT-H79B/H79A/H790 Sigma-Delta-(∑-∆)-Analog-Digital-Modulation, Chopper-stabilisierte Verstärker und eine volldifferenzielle Schaltungstopologie und erzielt dadurch unübertroffene Rauschunterdrückung im Isolationsmodus, geringen Offset, hohe Verstärkungsgenauigkeit und Stabilität.