Optoacopladores ACNT de Broadcom de 15 mm de ancho para aplicaciones de alto voltaje

Introducción

La familia de optoacopladores ACNT de Broadcom ofrece una fuga de 15 mm y una separación de 14.2 mm para aplicaciones de aislamiento de alto voltaje. Estos optoacopladores proporcionan un voltaje de aislamiento de trabajo de 2,262 V_PICO y un sobrevoltaje transitorio de 12,000 V_PICO en un paquete compacto de montaje en superficie extendida SO-8. Los optoacopladores ACNT constan de tipos de productos integrales para cumplir con los diferentes requisitos y características de aislamiento galvánico. Son el optoacoplador de controlador de compuerta ACNT-H343, el optoacoplador digital de baja potencia de 10 MBd ACNT-H61L, el amplificador de aislamiento de alta linealidad para detección de corriente ACNT-H790/H79A/H79B, el detector de voltaje ACNT-H870/H87A/H87B y el optoacoplador analógico de baja velocidad ACNT-H50L/H511. En el ejemplo de un inversor trifásico que convierte la alimentación de CC-CA en una carga (motor), la Figura 1 resalta las distintas ubicaciones de aislamiento y el propósito de cada tipo de producto optoacoplador ACNT. Los optoacopladores ACNT son confiables y fáciles de usar.

Figura 1: Optoacopladores ACNT para diversas necesidades de aislamiento en un inversor. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

Requisitos y tendencia de alto voltaje

En los segmentos de los mercados de los sistemas de potencia renovable (solar o eólica), de tracción y de salud, existe una tendencia de requisitos de mayor voltaje de bus de CC o de inmunidad de alto voltaje transitorio. Los nuevos sistemas solares/PV (fotovoltaicos) adoptaron 1500 V_CC desde 1000 V_CC. Esta actualización tiene como beneficios una mayor eficiencia energética y costos más bajos.

Un factor que contribuye a estos dos beneficios es que se pueden formar más bloques PV por cadena (una cadena más larga de matrices PV). Las cajas de conexiones consolidan la energía entrante en una alimentación principal. Con menos y más largas cadenas PV, la necesidad de utilizar cajas de conexiones disminuye. El mayor voltaje de CC de entrada también reduce las pérdidas de potencia del cable (cobre). En general, el sistema de 1500 V tiene menos conexiones entre el inversor y las matrices de cadenas PV en comparación con los sistemas de voltaje de CC de 1000 V o menos. La mayor densidad de potencia y la menor cantidad de equipos también reducen los costos de mano de obra de mantenimiento. Un desafío del sistema de 1500 V es la seguridad eléctrica y la gama completa de normas de certificación para componentes. El aislamiento entre el módulo de control y los productos de potencia debe poder soportar alto voltaje (constante y transitorio) y la distancia de fuga relevante (Figura 2). Los optoacopladores ACNT de Broadcom de 15 mm de ancho pueden cumplir estos requisitos.

Figura 2: Sistema de generación de potencia PV: 1500 V. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

En la solución eólica del segmento de energía renovable, los optoacopladores ACNT ganan popularidad en los países europeos como parte de un programa nacional de renovación de la red de distribución para reemplazar las centrales nucleares con recursos renovables.

La Figura 3 muestra el aislamiento del convertidor de frecuencia mediante el optoacoplador de baja potencia ACNT-H61L de 10 MBd y 15 mm de ancho. Estos componentes aíslan las señales de control y de retroalimentación de fallas entre el control de bajo voltaje y los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de alto voltaje. En otro subsegmento de la red eléctrica, la medición de líneas de distribución de bajo o medio voltaje se hace más avanzada como parte de la adopción de la red inteligente. Se requiere una fuga más amplia en el trifásico (medición de >400 V_CA) para la seguridad y el aislamiento de alto voltaje de la comunicación de datos. La protección también tiene una mayor importancia en la red inteligente. La confiabilidad a largo plazo del optoacoplador analógico de baja velocidad ACNT-H50L ayuda a asegurar la comunicación de datos aislados.

Figura 3: Energía renovable: convertidor de frecuencia de soluciones eólicas. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

Otro ejemplo de aplicación de alto voltaje es el control de tracción en los sistemas de tren ligero o monorriel. En estos sistemas, los optoacopladores ACNT se utilizan en la conversión de CC-CC de 1500 V. La figura 4 muestra un convertidor de potencia de monorriel con un voltaje de bus de 1500 V_CC. Existen cuatro optoacopladores digitales para la interfaz de control de alto voltaje y bajo voltaje aislados y dos amplificadores de aislamiento de detección de voltaje para el control de nivel de voltaje aislado, y optoacopladores analógicos de baja velocidad para comunicaciones de E/S aisladas con el fin de proporcionar aislamiento de alto voltaje para obtener confiabilidad y solidez en entornos de mucho ruido.

Figura 4: Convertidor de potencia en aplicaciones de tracción. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

En el sistema de salud, la^4.ª edición de la norma de medicina IEC 60601-1-2 estipula un nivel de descarga electrostática (ESD) más alto para los tipos de descarga de aire y contacto. Esta prueba de tipo de inmunidad de ESD se aplica entre los circuitos de detección (p. ej.: presión arterial, ECG), donde el paciente está en contacto directo con el equipo y la placa de control de un dispositivo de monitoreo de pacientes. El ACNT-H61L cumple con este requisito revisado con un sobrevoltaje transitorio de 12,000 V_CA. La fuga y la separación amplias permiten un espacio de aislamiento más grande y minimizan el arco eléctrico.

Revisión de las normas reguladoras

Durante la coordinación de los organismos de normas internacionales UL e IEC se obtuvieron requisitos de separación y fuga más estrictos. A partir de 2016, el UL 508C (equipo de conversión de potencia) pasa al IEC 61800-5-1 (sistemas de controladores de potencia eléctrica de velocidad ajustable). Para mantener la misma especificación de clasificación, se necesitan una separación y una fuga más amplias para el nuevo modelo de controlador. Por ejemplo, se requieren al menos 13.8 mm de fuga y separación para el aislamiento reforzado de una clasificación de 690 V_CA.

En los sistemas de uso médico, los optoacopladores ACNT tienen beneficios para abordar el sobrevoltaje transitorio de descarga de inmunidad de alta ESD necesario a través de una barrera de aislamiento. En la aplicación de monitoreo del paciente, la prueba de tipo de inmunidad de ESD se aplica entre los circuitos de detección (p. ej., presión arterial, ECG) donde el paciente está en contacto directo con el equipo y la placa de control del dispositivo. Para abordar las amenazas de interferencia electromagnética (EMI) actuales para los dispositivos de uso médico que se utilizan cada vez más fuera de los hospitales, existe la cuarta edición de la norma para equipos eléctricos de uso médico, IEC 60601-1-2, que aumenta los niveles de descarga de inmunidad de ESD durante las pruebas de dispositivos de uso médico (Figura 5). El ACNT-H61L utilizado en los dispositivos de monitoreo de pacientes tiene los beneficios de una clasificación alta de sobrevoltaje transitorio de 12,000 V_PICO, y la separación y la fuga de 15 mm de ancho permiten un espacio de aislamiento más amplio para minimizar el arco.

Figura 5: Cumplir con la necesidad de alto voltaje de aislamiento en los sistemas médicos: ACNT-H61L. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

Optoacopladores ACNT de Broadcom

Los optoacopladores de Broadcom tienen un rendimiento excelente y pueden soportar una sobretensión de alto voltaje (forma de onda de voltaje de 1.2 µs/50 µs). Según la norma de seguridad de componentes IEC 60747-5-5, los optoacopladores ACNT de Broadcom superan los 25 kV. El criterio de aprobación es la no perforación o ruptura parcial del aislamiento sólido a menos de 5 pC de descarga parcial. Como se muestra en la Figura 6, el ACNT-H50L se prueba en condiciones sin aire para eliminar el arco eléctrico con una sobretensión de alto voltaje (informe de resultados de la prueba TUV de referencia).

Figura 6: Los optoacopladores de Broadcom cumplen con la sobretensión de alto voltaje según la IEC 60747-5-5. (Fuente de la imagen: Broadcom Limited)

Resumen

El ACNT-H343 es un optoacoplador de controlador de compuertas 5 A lanzado recientemente en un paquete SSO-8 de 15 mm, diseñado para aplicaciones industriales de alto voltaje y espacio reducido, incluidos los impulsores de motor de 690 V_CA y los inversores solares de 1500 V. El ACNT-H343 cuenta con inmunidad a transitorios de modo común (CMTI) superior a 100 kV/μs, lo que previene fallos de controlador de compuerta en entornos ruidosos. El dispositivo tiene un retraso de propagación mínimo y es tres veces más rápido que el dispositivo de la generación anterior, lo que permite la conmutación de alta frecuencia para mejorar la eficiencia al impulsar los IGBT y los MOSFET de SiC/GaN.

El ACNT-H61L es un optoacoplador digital de baja potencia de 10 MBd que requiere solo 4.5 mA como mínimo para la corriente impulsora del led con un detector de CI que consume 2 mA de I_CC máximo en todo el rango de temperatura de funcionamiento. La salida del detector de CI es una salida de CMOS. El blindaje interno Faraday proporciona una especificación de inmunidad a transitorios de modo común garantizada de 20 kV/µs. El ACNT-H61L se adapta a la comunicación y el control de la interfaz lógica aislada en sistemas de conversión de potencia transitoria o de alto voltaje.

El ACNT-H50L/H511 es un optoacoplador de 1 MBd de un solo canal con salida de transistor de colector abierto. Las conexiones independientes para la polarización del fotodiodo y del colector del transistor de salida aumentan la velocidad hasta cien veces más en comparación con la de un fototransistor convencional al reducir la capacitancia del colector base. El ACNT-H50L/H511 es adecuado para aplicaciones como analógicos de baja velocidad, retroalimentación de control de potencia o fallas aisladas.

Los detectores de voltaje ACNT-H87B (tolerancia de ganancia de ±0.5 %), ACNT-H87A (tolerancia de ganancia de ±1 %) y ACNT-H870 (tolerancia de ganancia de ±3 %) son amplificadores de aislamiento óptico diseñados específicamente para la detección de voltaje. Su rango de entrada de 2 V y su alta impedancia de entrada de 1 GΩ cumplen con los requisitos de detección de voltaje aislado en aplicaciones de convertidores de potencia electrónicos. En una implementación típica de detección de voltaje, se utiliza un divisor de voltaje resistivo para calcular el voltaje del enlace de CC con el fin de adaptarse al rango de entrada del detector de voltaje. Del otro lado de la barrera de aislamiento óptico se crea un voltaje de salida diferencial proporcional al voltaje de entrada.

Los amplificadores de aislamiento ACNT-H79B (tolerancia de ganancia de ±0.5 %), ACNT-H79A (tolerancia de ganancia de ±1 %) y ACNT-H790 (tolerancia de ganancia de ±3 %) están diseñados para la detección de corriente y voltaje en aplicaciones de convertidores de potencia electrónicos. Estos optoacopladores proporcionan la precisión y la estabilidad necesarias para monitorear con exactitud la corriente del motor en entornos de control del motor de mucho ruido, lo que permite un control más fácil (menos "ondulación de par de torsión") en varios tipos de control del motor. Combinado con una tecnología de acoplamiento óptico superior, el ACNT-H79B/H79A/H790 utiliza modulación analógica a digital sigma-delta (∑-∆), amplificadores estabilizados de interrupción y una topología de circuito completamente diferencial para proporcionar un rechazo de ruido en modo de aislamiento inigualable, baja compensación, alta precisión de ganancia y estabilidad.