Уменьшение габаритов инверторов с помощью оптронов Renesas
При разработке инверторов промышленного назначения и преобразователей солнечной энергии встречаются три требования – снижение габаритов, общей стоимости и соответствие стандартам безопасности. Разработчикам трудно реализовать малые размеры и удовлетворить требованиям стандартов, используя традиционные компоненты изоляции схем. В статье описаны основы требований безопасности и показано, как оптроны серий RV1S92xxA и RV1S22xxA производителя Renesas помогают сократить до 35% места между цифровой и силовой частью схемы инвертора.
Введение
В современных промышленных устройствах (сервоприводах, инверторах, роботах-манипуляторах) габариты напрямую влияют на возможность установки этих устройств в помещение (в цех завода, ангар и т. д.). При этом нельзя уменьшать ниже определенного значения путь поверхностного разряда – минимальное расстояние на всех поверхностях устройства, не допускающее пробоя, чтобы не нанести вред человеку или электронике. Минимальное расстояние «ползучего» разряда (creepage) – параметр стандарта безопасности электрооборудования.
Таким образом, рыночный спрос на сокращение размеров устройств упирается в невозможность уменьшения элементов изоляции этих устройств.
Для чего уменьшают габариты?
На современных промышленных предприятиях (например, автозаводах) идет борьба за производительность оборудования и снижение потребления энергии. Компактные устройства выполняют большую удельную работу на квадратный метр площади, предприятие экономит на аренде. Сокращается время выполнения операций, время на перемещения внутри и между помещениями. Требуется меньше операторов (людей) в зоне со множеством механизмов (роботов, манипуляторов) из-за более компактного размещения последних. Разумеется, оставшиеся операторы должны обладать соответствующими навыками.
Компактные устройства автоматизации позволяют оперативнее реагировать на изменения рынка. Проще менять элементы конвейера, транспортировать, дополнять производство новым оборудованием.
Сокращение размеров также позитивно влияет на окружающую среду. Используется меньше материалов (корпусов, плат, проводов), уменьшаются затраты на электроэнергию, используемую на охлаждение и освещение цехов. Сокращаются выбросы от грузовиков, самолетов, кораблей – предполагается, что и в транспортной логистике будут использоваться электротранспортные средства и электромеханизмы с меньшими габаритами и достаточной безопасностью.
Еще 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, все оборудование соединяется и разводится по квартирам. Уменьшение размеров инверторов в данном случае – актуальная задача.
Стандарты безопасности
Стандарт МЭК/Ul 61800–5-1 задает параметры безопасности электроприводов для управления скоростью электродвигателей. Согласно ему электрооборудование с усиленной изоляцией (типа ac200V) должно содержать компоненты изоляции с большим расстоянием ползучего разряда, чем в предшествующем стандарте. Похожие требования имеются и в стандарте МЭК/Ul 61010–2-201, описывающем программируемые логические контроллеры. Кроме того, согласно МЭК 61508, в многоканальных устройствах необходимо обеспечивать изоляцию каждого канала от остальных.
Очевидно, что новые стандарты безопасности «выступают против» уменьшения размеров устройств. Требования ужесточаются также к отведению тепла в связи с более компактным размещением компонентов.
Компания Renesas предлагает использовать оптроны новой разработки, у которых узкий корпус для плотной компоновки, расстояние между выводами входа и выхода 8,2 мм, а температурный диапазон достигает 125°c.
Схема инвертора
На рисунке 1 показана схема инвертора для высоковольттных промышленных устройств и солнечных панелей. Для снижения потерь на силовых ключах и оптимизации потребления управляющей схемы выбраны компоненты производителя Renesas.
В схеме применяются оптроны разных типов. Драйверы iGBT и интеллектуальных модулей передают управляющие ШИМ-сигналы от микроконтроллера (RX66T) силовым ключам. Изолирующие усилители и дельтасигма модуляторы используются для измерения тока фаз двигателя и напряжения на линии.
Кроме того, в схеме имеется низковольтная часть (на микроконтроллере RX65n), которая отвечает за отображение информации на дисплее, управление вентиляторами и внешними интерфейсами связи. цифровые оптроны обеспечивают оптическую развязку микроконтроллера и линий ввода-вывода.
Рисунок 1
Рисунок 2
Функциональная схема 3-фазного инвертора
Новые корпуса микросхем позволяют сэкономить до 35% занимаемой площади
Оптроны в узком длинном корпусе
В статье рассматриваются оптроны Renesas серий RV1s92xxa и RV1s22xxa в корпусе шириной 2,5×10,2 мм с изолирующим расстоянием 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 предлагаются в исполнении, соответствующем стандарту безопасности Din En 60747– 5-5. Диапазон рабочей температуры компонентов: –40…115°c.
Шаг выводов у оптронов этих двух групп составляет всего 0,65 мм, что примерно вдвое меньше, чем у остальных, и позволило сделать корпус уже, чтобы разместить изоляторы на меньшей площади. С учетом необходимости делать развязку отдельно для каждого управляющего сигнала и линий обратной связи экономия места достигает 35% (см рис. 2).
В таблицах 1–2 приведены основные параметры оптронов RV1s92xxa и RV1s22xxa.
Внутренняя входная схема оптронов одинакова – светодиод соединен с входными выводами и покрыт силиконовым компаундом. Имеются три варианта схемы выходного каскада: фототранзистор, цифровой КМОП-выход или выход с открытым коллектором для управления затвором силового ключа. При деградации светодиода оптрон переходит в открытое состояние (т. е. не работает). При этом не возникает пробой или короткое замыкание, как это бывает у некоторых других компонентов изоляции при истечении срока службы.
Расстояние между светодиодом и фотоприемником у оптоизоляторов этой группы составляет 150 мкм. Внутреннее пространство заполнено смолой и покрыто сверху герметизирующим составом (см. рис. 3).
Таблица 1
основные параметры оптронов rV1S92xxA
Таблица 2
основные параметры оптронов rV1S22xxA
Рисунок 3
Поперечное сечение микросхемы гальванической развязки
Выводы
Оптопары и другие опторазвязывающие компоненты уже несколько десятков лет обеспечивают изоляцию и защиту. Требования к безопасности электрооборудования растут, габариты вынужденно сокращаются. Отвод тепла от электронных схем усложняется.
Компания 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 другим.