Broadcom 的 15 mm 宽 ACNT 光电耦合器高压应用

简介

Broadcom 的 ACNT 光电耦合器系列产品为高压隔离应用提供 15 mm 爬电距离和 14.2 mm 电气间隙。这些光电耦合器采用紧凑型拉伸式表面贴装 SO-8 封装，提供 2,262 V_PEAK 工作绝缘电压和 12,000 V_PEAK 瞬态过电压。ACNT 光电耦合器产品类型全面，以满足不同的电气隔离要求和功能。其中包括：ACNT-H343 栅极驱动光耦、ACNT-H61L 低功耗 10 MBd 数字光耦、ACNT-H790/H79A/H79B 高线性度隔离放大器（用于电流检测）、ACNT-H870/H87A/H87B 电压传感器和 ACNT-H50L/H511 低速模拟量光耦。图 1 所示为三相逆变器将直流转换为交流并驱动负载（电机），突出显示了各种 ACNT 光电耦合器产品类型的不同隔离位置和用途。ACNT 光电耦合器可靠且易于使用。

图 1：ACNT 光电耦合器可满足逆变器的各种隔离需求。（图片来源：Broadcom Limited）

高压趋势及要求

在可再生能源（太阳能或风能）、牵引和医疗保健系统的细分市场中，对较高直流总线电压或高瞬态电压抗扰度的要求已发展为一种趋势。新型太阳能/光伏 (PV) 系统已经采用 1500 V_DC，取代此前的 1000 V_DC。这项升级可提高能效，降低成本。

促成这两项优势的原因之一在于，每个串列可包含更多光伏块（光伏串列更长）。而汇流箱将输入功率汇集成总输入。光伏串列更长、数量更少，所需的汇流箱就相应减少。直流输入电压较高也会降低线路（铜）功率损耗。总体上，与 1000 V 或较低的直流电压系统相比，1500 V 系统中光伏串列与逆变器之间的连接较少。同时，功率密度较高、设备更少也降低了人工维护成本。电气安全及各种组件认证标准是 1500 V 系统面临的一大挑战。控制模块与电源产品之间的隔离必须能够承受高压（稳态和瞬态），并符合相关的爬电距离要求（图 2）。Broadcom 的 15 mm 宽 ACNT 光电耦合器就能满足这些要求。

图 2：1500 V 光伏发电系统。（图片来源：Broadcom Limited）

对于可再生能源领域的风能解决方案，由于作为国家级配电网更新计划的一部分，用可再生资源取代核电厂，ACNT 光电耦合器在欧洲国家深受青睐。

图 3 显示了使用 15 mm 宽 ACNT-H61L 10 MBd 低功耗光耦的变频器隔离。这些组件隔离了低压控制与高压 IGBT 之间的控制和故障反馈信号。在另一个电网子领域中，作为采用智能电网的一部分，低压或中压配电线路的计量日趋先进。为了实现数据通信的安全和高压隔离，三相线路（>400 V_AC 计量）需要更大的爬电距离。在智能电网中，安全性也相当重要。低速模拟量光耦 ACNT-H50L 的长期可靠性有助于确保隔离式数据通信。

图 3：可再生能源 - 风能解决方案的变频器。（图片来源：Broadcom Limited）

另一个高压应用实例是轻轨或单轨系统的牵引力控制。在这些系统中，ACNT 光电耦合器用于 1500 V 的 DC-DC 转换。图 4 显示了具有 1500 V_DC 总线电压的单轨系统功率转换器。高-低压控制接口隔离采用四个数字光耦，电压电平控制隔离采用两个电压检测隔离放大器，I/O 通信隔离采用低速模拟量光耦，为高噪声环境提供可靠而稳健的高压隔离解决方案。

图 4：牵引应用中的功率转换器。（图片来源：Broadcom Limited）

在医疗系统中，第 4 版医疗标准 IEC 60601-1-2 针对接触放电和空气放电规定了较高的 ESD 等级。该 ESD 抗扰度测试的适用类型，从患者与设备直接接触的检测电路（例如血压、ECG）到患者监护设备的控制板。ACNT-H61L 符合此修订要求，瞬态过电压为 12,000 V_AC。由于爬电距离和电气间隙较大，该器件允许更大的隔离间隙，并能最大限度地减少电弧。

监管标准修订

随着 UL 和 IEC 标准的协调一致，对爬电距离和电气间隙的更严格要求应运而生。从 2016 年起，UL 508C 标准（功率转换设备）过渡到 IEC 61800-5-1 标准（可调速电力驱动系统）。新的驱动器型号要求较大的爬电距离和电气间隙，以此才能保持相同的额定值规格。例如，对于 690 V_AC 额定值的强化绝缘，要求爬电距离和电气间隙至少为 13.8 mm。

在医疗系统 ESD 抗扰度测试中，由于隔离式安全栅的保护，需要较高的放电瞬态过电压。在解决这一问题上，ACNT 光电耦合器颇具优势。在患者监护应用中，ESD 抗扰度测试的适用类型，从患者与设备直接接触的检测电路（例如血压、ECG）到患者监护设备的控制板。如今，越来越多的医疗设备在医院外使用，为了解决电磁干扰 (EMI) 威胁，最新的第四版医疗电气设备标准 IEC 60601-1-2 提高了医疗设备 ESD 抗扰度测试的放电水平（图 5）。针对患者监护设备，ACNT-H61L 的优势在于额定瞬态过电压高达 12,000 V_PEAK、爬电距离和电气间隙达 15 mm，因而允许更大的隔离间隙，并能最大限度地减少电弧。

图 5：ACNT-H61L 可满足医疗系统的高绝缘电压需求。（图片来源：Broadcom Limited）

Broadcom 的 ACNT 光电耦合器

Broadcom 光电耦合器性能出色，可承受高压浪涌（1.2 µs / 50 µs 电压波形）。按照 IEC 60747-5-5 组件安全标准，Broadcom 的 ACNT 光电耦合器可通过 25 kV 以上等级。通过标准是局部放电小于 5 pC 时，固体绝缘不能出现完全击穿或局部击穿。如图 6 所示，ACNT-H50L 在非空气条件下进行测试，以消除高压浪涌所产生的电弧（参考 TUV 测试结果报告）。

图 6：Broadcom 光电耦合器符合 IEC 60747-5-5 的高压浪涌要求。（图片来源：Broadcom Limited）

总结

ACNT-H343 是一款最新发布的 5 A 栅极驱动光耦，采用 15 mm SSO-8 封装，专为空间受限的高压工业应用设计，例如 690 V_AC 电机驱动器和 1500 V 太阳能逆变器。ACNT-H343 的共模瞬变抗扰度 (CMTI) 超过 100 kV/μs，在嘈杂环境应用中可防止栅极驱动器故障误报。该器件最大限度地减少传播延迟，速度是上一代器件的三倍，因此可实现高频切换，提高 IGBT（绝缘栅双极晶体管）和 SiC/GaN MOSFET 的驱动效率。

ACNT-H61L 是一款 10 MBd 低功耗数字光耦，LED 最小驱动电流只需 4.5 mA，在工作温度范围内，检测器 IC 的最大 I_DD 为 2 mA。检测器 IC 的输出为 CMOS 输出。内部法拉第屏蔽板可保证共-模瞬态抗扰度达到 20 kV/µs。ACNT-H61L 适用于高压或瞬态功率转换系统的隔离式逻辑接口通信和控制。

ACNT-H50L/H511 是一款单通道 1 MBd 光电耦合器，具有开路集电极晶体管输出。光电二极管偏置与输出晶体管集电极的单独连接，减小了基极-集电极电容，大大提高了速度，可达到传统光电晶体管的百倍。ACNT-H50L/H511 适用于低速模拟量、故障或功率控制反馈隔离等应用。

ACNT-H87B（±0.5% 增益容差）、ACNT-H87A（±1% 增益容差）和 ACNT-H870（±3% 增益容差）电压传感器，均是专为电压检测设计的光电隔离放大器。输入范围 2 V，输入阻抗高达 1 GΩ，满足电子功率转换器应用对隔离电压检测的要求。在典型电压检测应用中，使用电阻分压器来缩放直流链路电压，以适应电压传感器的输入范围。光电隔离式安全栅另一侧的差分输出电压与输入电压成比例。

ACNT-H79B（±0.5% 增益容差）、ACNT-H79A（±1% 增益容差）和 ACNT-H790（±3% 增益容差）隔离放大器，专为电子功率转换器应用的电流和电压检测而设计。在高噪声电机控制环境中，这些光电耦合器可提供精确监控电机电流所需的精度和稳定性，为各类电机控制提供较平稳的控制（减少“转矩波动”）。结合卓越的光电耦合技术，ACNT-H79B/H79A/H790 采用三角积分 (∑-∆) 模数转换调制器、斩波稳定放大器和全差分电路拓扑结构，可提供性能卓群的隔离模式噪声抑制、低偏移、高增益精度和稳定性。