Материалы

При разработке инверторов промышленного назначения и преобразователей солнечной энергии встречаются два требования – снижение габаритов и общей стоимости и соответствие стандартам безопасности. Разработчикам трудно выиграть в размерах и удовлетворить стандартам с текущими компонентами изоляции схем. В статье описаны основы требований безопасности и показано, как оптроны серий RV1S92xxA и RV1S22xxA фирмы Renesas помогают сократить до 35% места между цифровой и силовой частью схемы инвертора.

В современных промышленных устройствах – сервоприводах, инверторах, роботах-манипуляторах габариты напрямую влияют на возможность размещения их в помещении (в цеху завода, в ангаре, на гектаре земли). При этом нельзя уменьшить до определенного значения пути ползучего разряда - минимальное расстояние на всех поверхностях устройства, не позволяющее заряду самовольно разрядиться и тем самым нанести вред человеку или электронике. Минимальное расстояние ползучего разряда (creepage) - параметр стандарта безопасности электрооборудования.

Таким образом, уменьшение размеров устройств как требование рынка упирается в невозможность уменьшения элементов изоляции этих устройств.

Для чего уменьшают габариты?

На современных промышленных предприятиях (например, автозаводах) идет борьба за продуктивность оборудования и снижение потребления энергии. Компактные устройства делают бОльшую удельную работу на квадратный метр, предприятие экономит на аренде. Сокращается время выполнения операций, время на перемещения внутри и между помещений. Требуется меньше операторов (людей) в зоне со множеством механизмов (роботов, манипуляторов) из-за их более компактного размещения. Разумеется, оставшиеся операторы должны обладать нужными навыками.

Компактные устройства автоматизации позволяют оперативнее реагировать на изменения рынка. Проще менять элементы конвейера, транспортировать, дополнять новым оборудованием.

Сокращение размеров также позитивно повлияет на окружающую среду. Используется меньше материалов (корпусов, плат, проводов), уменьшаются затраты на электроэнергию на охлаждение и освещение цехов. Сокращаются выбросы от грузовиков, самолётов, кораблей - предполагается, что и в транспортной логистике будут использоваться электротранспорт и электромеханизмы с “улучшенными” габаритами и достаточной безопасностью.

Ещё один пример - концепция жилых домов без внешнего электроснабжения, где при строительстве дома на крышу и стены (кроме северной) устанавливаются солнечные панели. В доме размещаются инверторы и контрольное оборудование, всё подключается и разводится по квартирам. Уменьшение размеров инверторов для данного примера - актуальная задача.

Стандарты безопасности

Стандарт МЭК / UL 61800-5-1 предписывает параметры безопасности электроприводов с управляемой скоростью. Согласно ему электрооборудование с усиленной изоляцией (типа AC200V) должно содержать компоненты изоляции с бОльшим расстоянием ползучего разряда, чем в предшествующем стандарте. Похожие требования есть и в стандарте МЭК / UL 61010-2-201, описывающем программируемые логические контроллеры. В дополнение к этому, согласно МЭК 61508, в многоканальных устройствах необходимо обеспечивать изоляцию каждого канала связи от остальных.

Очевидно, что новые стандарты безопасности “выступают против” уменьшения размеров устройств. Также повышаются требования к отведению тепла в связи с более компактным размещением компонентов.

Компания Renesas предлагает использовать оптроны новой разработки, сочетающие узкий корпус для плотной компоновки, расстояние между выводами входа и выхода 8.2 мм и исполнение в температурном диапазоне до +125℃.

Схема инвертора

На рис. 1 показана схема инвертора для высоковольтных промышленных устройств и солнечных панелей. Для снижения потерь на силовых ключах и оптимизации потребления управляющей схемы выбраны компоненты фирмы Renesas.

В схеме применяются разные типы оптронов. Драйверы IGBT и интеллектуальных модулей передают управляющие сигналы ШИМ от микроконтроллера (RX66T) на силовые ключи. Изолирующие усилители и дельта-сигма модуляторы используются для измерения тока фаз двигателя и напряжения на линии.

Кроме этого, на схеме есть низковольтная часть (на микроконтроллере RX65N), которая отвечает за отображение информации на дисплей, управление вентиляторами и внешними интерфейсами связи. Цифровые оптроны обеспечивают оптическую развязку микроконтроллера и линий ввода/вывода.

Оптроны в узком длинном корпусе

В статье рассматриваются оптроны Renesas серий RV1S92xxA и RV1S22xxA в корпусе шириной 2.5 х 10.2 мм и расстоянием разряда 8.2 мм. Изоляторы рассчитаны на напряжение пробоя 5 кВ (среднеквадратическое значение, в течение 1 минуты) и рабочее напряжение изоляции 1,1 кВ.

Все рассматриваемые оптроны доступны в исполнении, соответствующем стандарту безопасности DIN EN 60747-5-5. Рабочий температурный диапазон компонентов - от -40 до +115℃.

Шаг выводов у оптронов этих двух групп составляет всего 0.65 мм - примерно вдвое меньше чем у остальных. Это позволило сделать корпус уже, чтобы разместить изоляторы на меньшей поверхности. С учетом необходимости делать развязку отдельно каждого управляющего сигнала и линий обратной связи, экономия места возможна до 35% (см рис. 2).

В таблицах 1 и 2 приведены основные параметры оптронов RV1S92xxA и RV1S22xxA.

Таблица 1

Function	Part No.	Output Logic	Pin Connection	VDD	IFHL (max.)	IDDH /IDDL (max.)	tPHL, tPLH (max.)	PWD (max.)	CMH, CML (min.)	ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
										TA	BV
				V	mA	mA	ns	ns	kV/us	℃	V
High-Speed Communication (15Mbps)	RV1S9260A	Active Low		2.7 ~ 5.5	2.6	2	60	20	50	-40 ~ 125	5,0
IPM Drive	RV1S9213A	Active Low		4.5 ~ 25	5	1.3	500 / 750	650	50	-40 ~ 125	5,0

Таблица 2

Function	Part No.	Pin Connection	CTR			ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
			%	@IF	@VCE	VCEO	TA	BV
				mA	V	V	℃	V
DC Input	RV1S2281A		50 ~ 400	5	5	80	-40~ 115	5,0
DC Input (Low input current)	RV1S2211A		100~ 400	1	1	40	-40~ 115	5,0
AC Input	RV1S2285A		50 ~ 400	5	5	80	-40~ 115	5,0

Внутренняя схема оптронов одинакова - светодиод соединен с входными выводами и покрыт силиконовым компаундом. Различие лишь в выходной схеме - фототранзистор, цифровой КМОП выход или выход с открытым коллектором для управления затвором силового ключа. При деградации светодиода оптрон переходит в открытое состояние (то есть не работает). При этом пробоя или короткого замыкания не будет, как это бывает у некоторых других компонентов изоляции при истечении срока службы.

Расстояние между светодиодом и фотоприемником в данной группе оптоизоляторов составляет 150 мкм. Внутреннее пространство заполнено смолой и сверху герметизирующим составом (рис. 3).

Оптопары и опторазвязывающие компоненты уже несколько десятков лет обеспечивают изоляцию и защиту. Требования по безопасности электрооборудования растут, габариты вынужденно сокращаются. Отвод тепла электронных схем усложняется.

Renesas выпускает оптроны для плотной компоновки на платах управления инверторами. Инверторы применяются в современных промышленных устройствах, которые должны соответствовать стандартам безопасности МЭК / UL 61800-5-1 и других.

Информацию по доступности оптронов, образцам и коммерческим условиям можно получить по телефонам или почте Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. . Мы будем рады Вам помочь!

Источники

1. “Isolation Device Solution for Downsizing of Industrial Automation and Solar Inverter”, White Paper, Renesas Electronics Corp., 2019
2. https://www.renesas.com/products/optoelectronics.html