Øk sikkerheten og påliteligheten i industrielle anvendelser med høyspenning med galvaniske isolatorer

Mange industrielle automatiseringssystemer, særlig de i produksjonsanlegg, må tilpasses utstyr som bruker høye spenninger, alt fra hundrevis til tusenvis av volt. Halvlederbaserte isolatorer brukes ofte til å skille disse høye spenningene fra de mye lavere 5 volts digitale logiske spenningene som brukes i de fleste kontrollsystemer. For eksempel har optoisolatorer med enkeltpakning og dobbeltplate blitt mye brukt til dette formålet på grunn av den høye motstanden mot transiente høye spenninger og immunitet mot magnetfelt i omgivelsene. Designere trenger imidlertid en teknologi som er mer stabil over tid og ekstreme temperaturer, og som er mindre kompleks fra et produksjonsperspektiv.

Denne artikkelen forklarer hvorfor og hvordan galvaniske isolatorer med enkeltpakning brukes til å isolere de høye spenningene som brukes i moderne industrielle, medisinske systemer og systemer for elektriske kjøretøy (EV). Den ser deretter på to silisiumbaserte galvaniske isolatorer fra Texas Instruments som er rettet mot systemer med høy spenning og høy pålitelighet og diskuterer hvordan de settes opp på riktig måte på et pc-kort, for å trygt isolere høye spenninger fra den digitale logikken som brukes i programmerbare logiske kontrollere (PLS-er) og menneskelige grensesnitt.

Hvorfor isolere høye og lave spenninger?

Mange industrielle systemer kontrolleres ved bruk av PLS-er, datamaskiner eller menneske-masking-grensesnitt (MMI) (human machine interfaces – HMI). Disse kontrollsystemene betjenes ved hjelp av standard digitale kontrollspenninger på 5 volt eller mindre. Når disse systemene tilpasses til å håndtere høye spenninger på 120 volt eller høyere, er det viktig å fysisk skille og elektrisk isolere de lave digitale spenningene fra høyspenningsutstyret. Energiomformere, DC til DC-omformere (likestrøm til likestrøm) og elektriske kjøretøy (EV) må også nøye skille digitale kontrollspenninger fra det som kan være tusenvis av volt som brukes i systemet.

Selv om effekttransistorer enkelt kan håndtere disse anvendelsene, kan de ikke gjøre det trygt. Transistorer i disse anvendelsene har digital kontroll og høyspenningskontroll på samme halvledersubstrat. En funksjonssvikt eller fysisk skade på effekttransistoren kan raskt føre til at tusenvis av volt føres inn i den digitale logikken. I tillegg til å ødelegge kontrollutstyret setter dette også brukeren i fare.

Optisk isolasjon har historisk sett vært den foretrukne metoden for å fysisk skille og elektrisk isolere lav- og høyspentsystemer. En typisk optoisolator med enkeltpakning og to plater inneholder en lysdiode på én plate, som sender ut en lysstråle – vanligvis infrarød – på tvers av en gjennomsiktig isolasjonsbarriere til en fotodiodereseptor på en annen plate. Fotodioden konverterer dette til et lavspenningssignal som brukes til å kontrollere høyspenningskretsen.

For at en optoisolator skal kunne kontrollere tusenvis av volt på en sikker måte, er både lysdiodeplaten og fotodiodeplaten innkapslet i en gjennomsiktig isolasjonsbarriere som er laget av materiale som tåler den klassifiserte spenningen til optoisolatoren.

Optoisolatorer er motstandsdyktige mot transient elektronisk støy og helt immune mot magnetfelter i omgivelsene, noe som gjør dem til det beste valget for anvendelser med motorstyring med høyspenning. Optoisolatorer for høyeffektsanvendelser tåler svært høy overspenning på 10 000 volt eller mer.

Optoisolatorer fungerer imidlertid ikke så bra under svært høye temperaturforhold. I tillegg svekkes lysdiodene i optoisolatorer over tid. Optoisolatorer er også enheter med to plater, som er en mer kompleks produksjonsprosess sammenlignet med halvledere med én plate.

Galvanisk isolasjon

I anvendelser der ekstreme temperaturer er sannsynlig og lang levetid er prioritert, kan galvaniske isolatorer med enkeltpakning brukes. Der optisk isolasjon skiller to kretser med lysdioder og fotodioder, skiller galvanisk isolasjon elektrisk to kretser med ladningskoblede komponenter ved bruk av silisiumdioksid (SiO₂)-baserte kondensatorer eller induktorer. Effektiviteten til isolasjonen er en funksjon i det dielektriske SiO₂-materialet.

Galvaniske isolatorer er enheter med høy hastighet og lang levetid, som enkelt kan tilpasses til de fleste mikrokontrollere. Nylig introduserte eksempler har blitt testet for å tåle så mye som 6000 volt, operere ved temperaturer helt opptil 150 °C og vare over 35 år. Dette forbedrer sikkerheten og påliteligheten til det generelle systemet, samtidig som at vedlikeholdskostnadene reduseres.

Den digitale isolatoren ISO7762FDWR fra Texas Instruments, for generell bruk og med seks kanaler, for eksempel, tåler så mye som 5000 volt RMS (V_RMS) og har en isolasjonsoverspenning på 12 800 volt (figur 1). ISO7762 er tilgjengelig med to alternativer: ISO7762F har utgangspinner OUT [A:F] standard utgangslogikk lav, mens uten F-suffikset er standard utgangslogikktilstanden logikken høy.

Figur 1: ISO7762F fra Texas Instruments er en galvanisk isolator med seks kanaler, med fire foroverkanaler og to bakoverkanaler. (Bildekilde: Texas Instruments)

ISO7762F har to strømdomener, ett på venstre og ett på høyre side, elektrisk og fysisk atskilt av et SiO₂-isolasjonslag. Hvert strømdomene har sin egen uavhengige strøm- og jordpinne.

Enheten har fire foroverkanaler og to bakoverkanaler. De to bakoverkanalene (inngang E og F) gjør det mulig å sende informasjon fra høyspenningssystemet til det digitale kontrollsystemet, samtidig som de to strømdomenene isoleres på en sikker måte. Dataene som sendes i begge retninger, kan være enkle digitale på/av-data eller serielle data med en UART eller toledningers I²C.

For hver kanal bruker ISO7762F to SiO₂-kondensatorer i serie for å skille de to spenningsdomenene. Digitale data sendes ved bruk av på-av-kodingsmodulasjon (OOK) der logikk 1 på en inngang IN [A:F] representeres av et vekselstrømssignal på tvers av kondensatoren til det andre strømdomenet, og logikk 0 er representert av 0 volt. Dataene på den tilsvarende OUT [A:F] gjenspeiler logikktilstanden til inndatapinnen. Det dielektriske SiO₂-materialet i kondensatorene skiller de to strømdomenene for sikker isolasjon av elektronikken for høyspenningsstyringen fra det digitale kontrollsystemet.

Designerne av ISO7762F har lagt vekt på høy isolasjonsmotstand for maksimal sikkerhet. Isolasjonsmotstanden ved 25 °C er klassifisert som høyere enn 1 teraohm (TΩ). ISO7762F-isolasjonsmotstanden ved 150 °C er høyere enn 1 gigaohm (GΩ). For å sette dette i perspektiv er denne motstanden høyere enn motstanden i luften i omgivelsene rundt ISO7762F.

ISO7762F er klassifisert av Texas Instruments til å vare minst 37 år, men det galvaniske isolasjonslaget er klassifisert til en levetid på over 135 år. Selv om utstyr vanligvis ikke trenger å være garantert i driftsmessig stand i denne tidsperioden, indikerer disse tallene påliteligheten og holdbarheten til enheten.

For enda høyere holdespenning er ISO7821LLSDWWR fra Texas Instruments en differensialisolasjonsbuffer med to kanaler, klassifisert til 5700 V_RMS med en isolasjonsoverspenning på 12 800 volt (figur 2). De to kanalene går i motsatt retning. Hver kanal er en differensialparsender som brukes til LVDS (lavspennings differensialsignalisering) av datakommunikasjon ved hastigheter helt opptil 150 megabit per sekund (Mbps).

Figur 2: ISO7821LLS digital isolator fra Texas Instruments har to differensialkanaler i motsatt retning. Hver utgangsbuffer har en utgangsåpning som kan sperre utgangen til en høy impedanstilstand. (Bildekilde: Texas Instruments)

SiO₂ som brukes til galvanisk isolasjon i ISO7821LLS, er den samme som ISO7762F, bortsett fra at i stedet for å bruke to kondensatorer i serie for hver kanal, bruker ISO7821LLS én kondensator for hver kanal. Den bruker også den samme OOK-modulering til å sende digitale data over SiO₂-kondensatorer.

Den galvaniske isolasjonsdriveren ISO7821LLS kan sende LVDS-data via kabler i industriell kvalitet, for eksempel Beldens 88723-002500 høyeffekts, dobbel-tvunnet parkabel. Dette er en industriell kabel med høy kvalitet som bærer to snodde par 22 AWG-ledninger i en rød kappe. Den er designet for innendørs eller utendørs bruk, og kan også begraves under bakken. Denne kabelen kan håndtere ekstreme driftstemperaturer på -70 °C til +200 °C, noe som gjør det egnet for tøffe industrielle anvendelser med høyspenning, for eksempel solenergivekselrettere i svært varme eller svært kalde omgivelser. En kontrollenhet kan sende LVDS-kontrolldata i begge retninger over denne Belden-kabelen til en ISO7821LLS i solcellevekselretterboksen. Enhver høyspenningsbølge som skyldes feil i omformerboksen, blir stoppet ved isolatoren, og beskytter kontrollenheten for lavspenning og eventuelle menneskelige operatører i nærheten av enheten.

De to utgangene på ISO7821LLS fra Texas Instruments har uavhengige aktiveringspinner som kan deaktivere sine respektive utganger ved å sette dem i en høy impedanstilstand. Dette er nyttig hvis enheten er på en LVDS-buss med mer enn én driver og må gi fra seg bussen til en annen bussmaster. Dette gjelder i industrielle miljøer der høyspenningsutstyr må betjenes av mer enn én kontrollenhet på forskjellige steder.

For å hjelpe designere med å evaluere ISO7821LLS har Texas Instruments evalueringskortet ISO7821LLSEVM (figur 3). Dette krever et minimum av eksterne komponenter og kan brukes til å evaluere atferden og ytelsen til ISO7821LLS og muliggjør overvåking av LVDS-busskommunikasjon for test- og malstyringsformål.

Figur 3: Evalueringsmodulen ISO7821LLSEVM fra Texas Instruments kan brukes til å teste og evaluere LVDS-datakommunikasjonsytelsen til differensialisolasjonsbufferen ISO7821LLS med to kanaler. (Bildekilde: Texas Instruments)

Fordi alle høyspenningsanvendelser er forskjellige, er ikke ISO7821LLSEVM beregnet for bruk til testing av høyspenningsisolasjonsoppførselen til ISO7821LLS.

Galvanisk isolator-oppsett

Oppsettet til en galvanisk isolator med høy spenning må gjøres svært forsiktig for å sikre effektiv isolasjon. For et pc-kortkonstruksjon med lav EMI gjelder standardregler for oppsett. Dette inkluderer bruk av et pc-kort med minst fire lag med høyhastighetsspor oppe med et solid jordplan nede, og strømplan nedenfor. Langsommere kontrollsignaler skal være på det nederste planet.

Det er viktig at komponentene for lav spenning og høy spenning er fysisk atskilt på pc-kortet. Derfor har isolatorene som diskuteres her, atskilte strømdomener på venstre og høyre side av pakningen. Spor for ett domene må ikke rutes i nærheten av de andre for å forhindre signalforstyrrelser.

Hvis isolatoren befinner seg i høyspenningsdelen, kan det være tryggere å plassere isolatoren med lavspenningssiden mot en av kantene på pc-kortet. Dette bidrar til å forhindre at høye spenninger danner bue til lavspenningssiden, noe som kan gi alvorlig skade på lavspenningselektronikk på den andre enden av isolatoren.

Konklusjon

Industrielt utstyr som bruker mange tusen volt, krever komponenter som trygt isolerer disse høye spenningene, fra 5 volt eller lavere digital kontrollogikk, for å beskytte utstyret og de som bruker det. Egenskapene til det industrielle utstyret krever at denne isolasjonen er stabil og pålitelig i ekstreme temperaturvariasjoner over lengre tidsperioder.

Som vist, har digitale isolatorer basert på galvanisk isolasjon, spesifikasjonene for isolasjonskjennetegnene og driftstemperaturen som er egnet for slike anvendelser. Med riktig fokus på oppsett og konfigurasjon kan de forhindre skade på utstyr og person.