Forøg sikkerheden og pålideligheden af industrielle anvendelser med højspænding og galvaniske isolatorer

Mange industrielle automatiseringssystemer, især dem, der er i produktionsanlæg, skal have en grænseflade til udstyr med høje spændinger fra flere hundrede til flere tusinde volt. Halvlederbaserede isolatorer bruges ofte til at adskille høje spændinger fra de meget lavere digitale logiske spændinger på 5 volt, der bruges i de fleste kontrolsystemer. Optiske isolatorer med to kredsløbsdele i én pakke (dual-die) har f.eks. i vid udstrækning været anvendt til dette formål på grund af deres store modstandsdygtighed over for forbigående høje spændinger og immunitet over for omgivende magnetfelter. Men designere har brug for en teknologi, der er mere stabil over tid, mere stabil i forhold til ekstreme temperaturer og mindre kompleks set fra et produktionsperspektiv.

Denne artikel forklarer, hvorfor og hvordan du kan bruge enkeltpakkede isolatorer til sikker isolering af de høje spændinger, der bruges i moderne systemer inden for industri, medicin og elektriske køretøjer (EV). Derefter ser den på to silikonebaserede galvaniske isolatorer fra Texas Instruments, der er målrettet systemer med højspænding og høj driftssikkerhed. Det beskrives, hvordan de skal placeres på en PCB for på en sikker måde at isolere høje spændinger fra digitale logiske spændinger, der anvendes i programmerbare logiske controllere (PLC) og menneskelige grænseflader.

Hvorfor isolere høje og lave spændinger fra hinanden?

Mange industrielle systemer styres med PLC'er, computere eller brugergrænseflader til maskiner, der bruges af mennesker (HMI'er). Disse styresystemer kører med standardspændinger for digital kontrol på 5 volt eller derunder. Når disse systemer bruges som grænseflade i håndteringen af høje spændinger på 120 volt eller mere, er det vigtigt at adskille og elektrisk isolere de lave digitale spændinger fra højspændingsudstyret. Strømomformere, DC til DC-omformere og elektriske køretøjer (EV'er) skal også omhyggeligt adskille digitale kontrolspændinger fra de spændinger, der bruges i systemet og kan være på mange tusinde volt.

Selvom effekttransistorer nemt kan håndtere disse anvendelser, kan de ikke gøre det på en sikker måde. Transistorer har i forbindelse med disse anvendelser kontrollen af den digitale spænding og højspændingen på det samme halvlederunderlag. En funktionsfejl i eller fysisk beskadigelse af effekttransistoren kan hurtigt resultere i, at der sendes tusindvis af volt ind i den digitale logik. Ud over at ødelægge kontroludstyret udsætter dette også brugeren i fare.

Optisk isolation har historisk set været den foretrukne metode til fysisk at adskille og elektrisk isolere systemer med lav og høj spænding. En typisk pakke med to kredsløbsdele (dual-die) indeholder en LED på én kredsløbsdel, der sender det udsendte lys – som regel infrarødt – på tværs af en gennemsigtig isolationsbarriere til en fotodiodemodtager på den anden kredsløbsdel. Fotodioden konverterer dette til et lavspændingssignal, der bruges til at styre højspændingskredsløbet.

For at en optisk isolator på sikker vis kan kontrollere tusindvis af volt, er LED-kredsløbsdelen og fotodiode-kredsløbsdelen begge indkapslet i en transparent isolationsbarriere, der er fremstillet i et materiale, som kan modstå den nominelle spænding på den optiske isolator.

Optiske isolatorer er modstandsdygtige over for forbigående elektronisk støj og er helt immune over for omgivende magnetfelter, hvilket gør dem til det bedste valg til anvendelser i motorkontrolsystemer med højspænding. Optiske isolatorer til anvendelse i sværindustrien kan modstå meget høje stødspændinger på 10.000 volt eller mere.

Optiske isolatorer fungerer dog ikke godt under meget høje temperaturforhold. Desuden nedbrydes LED'er i optiske isolatorer med alderen. Optiske isolatorer er også kredsløbs-elementer med to dele (two-die), som har en mere kompleks fremstillingsproces end halvledere med én kredsløbsdel (single-die).

Galvanisk isolation

Under anvendelser, hvor der er sandsynlighed for ekstreme temperaturer, og hvor lang levetid er en prioritet, kan der anvendes enkeltpakkede galvaniske isolatorer. Hvis den optiske isolation adskiller to kredsløb med LED'er og fotodioder, separerer galvanisk isolation elektrisk to kredsløb med ladningskoblede komponenter ved hjælp af siliciumdioxidbaserede (SIO₂) kondensatorer eller spoler. Isolationens effektivitet skyldes det anvendte SiO₂-dielektrikum.

Galvaniske isolatorer er hurtige og langtidsholdbare enheder, der nemt kan anvendes på de fleste mikrocontrollere. Isolatorer, der er introduceret for nylig, har under test vist sig at kunne modstå op til 6.000 volt, fungere ved temperaturer op til 150 °C og holde i over 35 år. Dette forbedrer sikkerheden og pålideligheden i det overordnede system og reducerer samtidig vedligeholdelsesomkostningerne.

Texas Instruments' digitale isolator, ISO7762FDWR, med seks kanaler til generelle formål kan modstå op til 5.000 volt rod-middel-kvadrat (V_RMS) og har en isolationsstødspænding på 12.800 volt (figur 1). ISO7762 fås i to udgaver: ISO7762F har outputpins OUT[A:F] med lav logisk outputspænding som standard, og uden F-suffikset er standardtilstanden for outputlogik høj.

Figur 1: Texas Instruments ISO7762F er en sekskanals galvanisk isolator med fire fremadrettede kanaler og to bagudvendte kanaler. (Billedkilde: Texas Instruments)

ISO7762F har to strømdomæner, et til venstre og et til højre, adskilt elektrisk og fysisk af et isolationslag i SiO₂. Hvert strømdomæne har sine egne uafhængige effekt- og jordstifter.

Enheden har fire fremadrettede kanaler og bagudvendte kanaler. De to bagudvendte kanaler (input E og F) gør det muligt at sende oplysninger fra højspændingssystemet til det digitale kontrolsystem, samtidig med at der opretholdes sikker isolation mellem de to strømdomæner. De data, der transmitteres i begge retninger, kan være simple digitale on/off-data eller serielle data, der transmitteres via I²C med UART eller to ledninger.

For hver kanal bruger ISO7762F to SiO₂-kondensatorer i serie for at adskille de to spændingsdomæner. Digitale data overføres ved hjælp af et on-off-modul (OOK), hvor en logik 1 på ethvert input IN[A:F] repræsenteres af et AC-signal på tværs af kondensatoren til det andet strømdomæne, og en logik 0 er repræsenteret med 0 volt. Dataene på den tilsvarende OUT[A:F] afspejler logiktilstanden for inputpin. Det SiO₂-dielektrikum, der anvendes i kondensatorerne, adskiller de to strømdomæner for at isolere højspændingskontrolelektronikken på sikker vis fra det digitale kontrolsystem.

Designerne af ISO7762F understregede den høje isolationsmodstand, der giver maksimal sikkerhed. Isolationsmodstanden ved 25 °C er vurderet til mere end 1 tera-ohm (TΩ). Isolationsmodstanden for ISO7762F ved 150 °C er højere end 1 giga-ohm (GΩ). For at sætte dette i perspektiv er denne modstand højere end modstanden i den omgivende luft omkring ISO7762F.

ISO7762F vurderes af Texas Instruments til at holde mindst 37 år, men det galvaniske isolationslag vurderes til en levetid på over 135 år. Der skal typisk ikke gives driftsgaranti for udstyr over denne tidsperiode, men disse tal angiver enhedens pålidelighed og holdbarhed.

Texas Instruments ISO7821LLSDWWR kan modstå endnu højere spændinger. Det er en differentialisolationsbuffer med to kanaler, der er klassificeret til 5700 V_RMS (volt rod-middel-kvadrat) med en isolationsstødspænding på 12.800 volt (figur 2). De to kanaler går i indbyrdes modsatte retninger. Hver kanal er en sender med differentialpar, der bruges til datakommunikation med differentierede lavspændingssignaler (LVDS) ved hastigheder på op til 150 megabit pr. sekund (Mbps).

Figur 2: Texas Instruments ISO7821LLS digital isolator har to differentielle kanaler i modsatte retninger. Hver outputbuffer har output tilladt, der kan deaktivere outputtet til en tilstand med høj impedans. (Billedkilde: Texas Instruments)

SiO₂, der bruges til galvanisk isolation i ISO7821LLS, er den samme som ISO7762F, bortset fra at ISO7821LLS i stedet for to kondensatorer i serie for hver kanal bruger én kondensator for hver kanal. Den bruger også den samme OOK-modulation til at overføre digitale data på tværs af SiO₂-kondensatorer.

ISO7821LLS galvanisk isolationsdriver kan sende LVDS-data over kabler i industriel klasse som f.eks. Beldens 88723-002500 kraftigt, snoet dobbeltkabel. Dette er et industrielt kabel af høj kvalitet, der har to snoede par 22 AWG-ledninger i rød indpakning. Det er beregnet til indendørs eller udendørs brug og kan også begraves under jorden. Dette kabel kan håndtere driftstemperaturudsving på mellem -70 °C til +200 °C, hvilket gør det velegnet til krævende industrielle anvendelser med højspænding som f.eks. solenergi-invertere i meget varme eller meget kolde omgivelser. En kontrolenhed kan sende LVDS-kontroldata i begge retninger over dette Belden-kabel til en ISO7821LLS i kassen med solenergiomformeren. Højspændingsbølger som følge af en funktionsfejl i omformeren stoppes ved isolatoren, så lavspændingskontrolenheden og eventuelle menneskelige operatører i nærheden af enheden beskyttes.

De to outputs på Texas Instruments ISO7821LLS har uafhængige aktiveringsstifter, der kan deaktivere deres respektive outputs ved at sætte dem i en tilstand med høj impedans. Dette er nyttigt, hvis kredsløbs-element er på en LVDS-bus med mere end én driver og skal afgive bussen til en anden bus-master. Dette er brugbart i industrielle miljøer, hvor højspændingsudstyr skal betjenes af mere end én kontrolenhed på forskellige placeringer.

For at hjælpe designere med at evaluere ISO7821LLS har Texas Instruments ISO7821LLSEVM evalueringstavlen (figur 3). Det kræver et minimum af eksterne komponenter og kan bruges til at evaluere adfærden og ydeevnen i ISO7821LLS og giver mulighed for at overvåge LVDS-bus-kommunikation til test- og benchmarkingformål.

Figur 3: Evalueringsmodulet på Texas Instruments ISO7821LLSEVM kan bruges til at teste og evaluere ydeevnen for LVDS-datakommunikation for ISO7821LLS-bufferen med differentialisolation og to kanaler. (Billedkilde: Texas Instruments)

Da alle højspændingsanvendelser er forskellige, er ISO7821LLSEVM ikke beregnet til brug ved test af adfærden for højspændingsisolation i ISO7821LLS.

Layout for galvanisk isolator

Layoutet for en galvanisk højspændingsisolator skal foretages meget omhyggeligt for at sikre effektiv isolation. Ved design af PCB med lavt EMI gælder standardlayoutregler, som omfatter brug af en PCB med mindst fire lag med højhastighedsspor oven på en solid stelplade og strømpladen nedenunder. Langsommere kontrolsignaler skal være på den nederste plade.

Det er vigtigt, at lavspændings- og højspændingskomponenter fysisk adskilles på PCB'en. Til dette formål har isolatorerne, der omtales her, separate strømdomæner i venstre og højre side af pakken. Desuden skal signalinterferens forebygges ved at undgå, at spor for ét domæne ikke føres i nærheden af det andet domæne.

Hvis isolatoren er placeret i højspændingssektionen, kan det være mere sikkert at anbringe isolatoren med lavspændingssiden vendt mod en kant på PCB'en. Dette er med til at forhindre, at der opstår høje spændinger fra lysbuer til lavspændingssiden, hvor de kan medføre alvorlige skader på lavspændingselektronikken i den anden ende af isolatoren.

Konklusion

Industrielt udstyr, der bruger mange tusinde volt, kræver komponenter, som på sikker vis kan isolere disse høje spændinger fra den digitale kontrollogik på 5 volt eller derunder for at beskytte udstyret og dets brugere. Industriudstyrets beskaffenhed kræver, at en sådan isolation er stabil og pålidelig ved ekstreme temperaturudsving over længere tid.

Som vist har digitale isolatorer, der er baseret på galvanisk isolation, isolationskarakteristika og driftstemperaturspecifikationer, der passer til sådanne anvendelser. Med den rette opmærksomhed på layout og konfiguration kan de forhindre beskadigelse eller personskade.