引言

 

在機器人控製器、交(jiao)流(liu)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)和(he)通(tong)用(yong)逆(ni)變(bian)器(qi)等(deng)工(gong)業(ye)自(zi)動(dong)化(hua)設(she)備(bei)中(zhong)，需(xu)要(yao)縮(suo)小(xiao)設(she)備(bei)尺(chi)寸(cun)來(lai)提(ti)高(gao)廠(chang)房(fang)利(li)用(yong)率(lv)，但(dan)同(tong)時(shi)也(ye)要(yao)提(ti)高(gao)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)來(lai)滿(man)足(zu)更(geng)嚴(yan)格(ge)的(de)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)。同(tong)樣(yang)，由(you)於(yu)安(an)裝(zhuang)位(wei)置(zhi)的(de)尺(chi)寸(cun)限(xian)製(zhi)，太(tai)陽(yang)能(neng)逆(ni)變(bian)器(qi)和(he)電(dian)池(chi)係(xi)統(tong)等(deng)綠(lv)色(se)能(neng)源(yuan)係(xi)統(tong)也(ye)需(xu)要(yao)縮(suo)小(xiao)尺(chi)寸(cun)，但(dan)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)不(bu)能(neng)改(gai)變(bian)。就(jiu)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)而(er)言(yan)，隔離器件就存在設備小型化問題。本白皮書將說明如何選擇隔離器件以縮小尺寸，重點介紹瑞薩電子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA光電耦合器，它們采用全球最小封裝，同時擁有這些應用所要求的較長爬電距離。

 

 

設備小型化問題

 

高壓工業自動化設備和綠色能源係統需要使用低功耗電機控製電路並降低功率轉換損耗，因此通常采用圖

 

1 中的通用逆變器電路。

 

圖 1. 通用逆變器電路

 

逆變器電路中包含各種光電耦合器。IGBT 驅動器和 IPM 驅動器用於將逆變器控製信號(PWM)從 MCU 傳送到 IGBT 等功率器件。隔離放大器和 Δ-Σ 調製器用於監視總線電壓和檢測電機電流。逆變器電路可能會有兩個 MCU。一個用於高壓模塊中電機驅動的逆變器控製
，另一個用於低壓模塊中的通信和顯示控製。通信耦合器用於 MCU 和 I/O 之間的通信。

 

下文描述了小型化要求的背景信息和選擇隔離器件的問題。

 

設備小型化背景信息

 

在工業自動化設備中，需要縮小尺寸來同時滿足提高生產率和節能降耗這兩大要求。縮小尺寸旨在實現以下目標：

 

1) 節省空間：減少占地空間
，減少廠房投資，縮短工藝作業時間，通過縮短工廠運輸時間來縮短 TAT（開發周期），通過縮短設施間的距離提高人均管理設施數量，改進相同占用空間內的設備功能（例如，增加機器人軸的數量），從而提高單位廠房麵積的生產率。

 

2) 建立靈活的生產線：根據需求波動和改進活動輕鬆更改工廠布局（易於安裝
、運輸和配置）

 

3) 環保：減少用料（外殼、電路板、導線等），降低整間工廠的空調和照明等功耗，降低各設備（卡車、船隻、飛機等）的運輸能耗。

 

事實上，為了滿足這些要求，不僅機器人控製器、交流伺服係統和逆變器等設備尺寸在逐漸縮小，還逐漸實現了互聯設備的集成，例如伺服驅動器和電機。

 

而零能耗住宅(ZEH)的de發fa展zhan趨qu勢shi意yi味wei著zhe未wei來lai需xu要yao安an裝zhuang更geng多duo的de家jia用yong太tai陽yang能neng逆ni變bian器qi，但dan朝chao北bei外wai牆qiang或huo住zhu宅zhai內nei部bu的de安an裝zhuang空kong間jian有you限xian。縮suo小xiao這zhe些xie組zu件jian的de尺chi寸cun也ye會hui減jian輕qing運yun輸shu和he建jian築zhu施shi工gong的de負fu擔dan，從cong而er降jiang低di總zong成cheng本ben。

 

更嚴格的安全標準

 

由於電機驅動設備標準從 UL508C 更改為 UL61800-5-1

，因此需要加強絕緣的 AC200V 設備必須使用爬電距離更長的隔離器件。此外，從 UL508 改為 PLC（可編程邏輯控製器）等控製器件標準 UL61010-2-201

，也要求提高爬電距離，並替換為適合 AC200V 加jia強qiang絕jue緣yuan應ying用yong的de隔ge離li器qi件jian。提ti高gao爬pa電dian距ju離li的de要yao求qiu與yu前qian文wen提ti到dao的de縮suo小xiao工gong業ye自zi動dong化hua設she備bei尺chi寸cun的de要yao求qiu相xiang悖bei
，兩liang者zhe彼bi此ci矛mao盾dun，但dan必bi須xu要yao予yu以yi解jie決jue。

 

此外

，功能安全標準 IEC61508 中zhong還hai增zeng加jia了le一yi項xiang最zui新xin要yao求qiu
，即ji在zai多duo通tong道dao通tong信xin中zhong
，必bi須xu驗yan證zheng一yi個ge通tong道dao損sun壞huai或huo發fa生sheng故gu障zhang是shi否fou會hui影ying響xiang其qi他ta通tong道dao。為wei支zhi持chi這zhe一yi要yao求qiu，需xu要yao選xuan擇ze一yi種zhong能neng夠gou確que保bao各ge個ge通tong道dao彼bi此ci獨du立li的de隔ge離li器qi件jian。

 

高溫工作

 

最後，由於尺寸縮小
，設備內部的溫度可能會升高。因此
，必須選擇一種小型耐高溫隔離器件。

 

小型化特性要求

 

未來許多逆變器和自動化設備應用要求隔離器件具備以下特性：
 

• 小尺寸

• 爬電距離長

• 耐高溫

 

瑞薩電子光電耦合器 – RV1S92xxA

、RV1S22xxA

 

瑞薩電子的 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 是業界最小的長爬電距離光電耦合器，具有較小的引線間距，同時保持 8.2 毫米的爬電/間隙距離，如圖 2 所示。為滿足客戶需求，幫助他們解決上述問題，我們提供具有各種功能的產品。表 1 列出了 RV1S92xxA 係列 IC 輸出耦合器，表 2 列出了晶體管輸出 RV1S22xxA 係列產品。

 

圖 2. 傳統封裝 LSO5 和新 LSSO5 對比

 

表 1：RV1S92xxA 係列

 

表 2：RV1S22xxA 係列

 

主要功能

 

圖 3 顯示 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 的橫截麵結構。它們采用雙模結構，LED 和光電探測器 IC 麵對麵，確保絕緣距離為 150 微米。這不同於數字隔離器的片上結構，數字隔離器的絕緣距離通常約為 10 微米，並且輸入和輸出之間的距離更大。

 

此外
，如果考慮使用壽命終止時的情況，由於 LED 的亮度降低，光電耦合器會處於打開模式；而數字隔離器會由於氧化膜或聚酰亞胺膜破裂而處於短路模式
，可能會導致觸電事故。40 多年來
，許多應用都將光電耦合器用作隔離器件，有助於提高係統安全。

 

圖 3. RV1S92xxA/RV1S22xxA 的橫截麵視圖

 

在上文所示的逆變器電路示例中，MCU 和 ASIC 之間的通信接口部分通過使用 15Mbps RV1S9260A 和晶體管輸出 RV1S2281A
，與圖 4 所示的傳統 8 毫米爬電距離 LSO5 和 LSOP 相比，安裝麵積可減小 35%。此外，功率器件（智能功率模塊）也縮小了尺寸
，通過使用 IPM 驅動器 RV1S9213A 傳送 PWM 信號
，使用晶體管輸出 RV1S2281A 提供故障信號反饋
，可減小 IPM 和 MCU 之間的隔離麵積。由於它們各自都是單通道產品
，因此可以根據 IPM 引腳連接來安排隔離器件的布局（光電耦合器布局）。

 

圖 4. LSO5/LSOP 和 LSSO5/LSSOP 的安裝麵積對比

 

更嚴格的安全標準

 

由於電機驅動設備標準從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此 AC200V 設備的加強絕緣要求提供 5.5 毫米的爬電/間隙距離。因而，不再使用爬電/間隙距離為 4.2-5 毫米的 SSOP/SO5 器件。圖 5 顯示用於 LSSO5的 RV1S92xxA 和用於 LSSOP 的 RV1S22xxA 均縮短了引腳間距方向的長度，可確保 8.2 毫米的爬電/間隙距離。如圖 4 所示
，可以在縮小設備尺寸的同時滿足新的安全要求。

 

圖 5. LSSO5/LSSOP、SSOP 和 SO5 的對比

 

此外，考慮到從 UL508 標準改為 PLC（可編程邏輯控製器）等控製器件標準 UL61010-2-201
，隔離器件需要更換為爬電距離為 6 毫米的隔離器件，以滿足 AC200V 加強絕緣應用的要求。LSSO5 的 RV1S92xxA和 LSSOP 的 RV1S22xxA 也支持這一要求。

 

由於這些是單通道產品，因此可以盡量減少該隔離部分的驗證，以滿足功能安全性 IEC61508 要求。

 

高溫工作

 

RV1S92xxA 支持業界最高的 125℃工作溫度，而 RV1S22xxA 也支持 115℃高溫工作，因此非常適合 IPM附近的配電板應用。

 

結論

 

瑞薩電子針對工業自動化設備和太陽能逆變器，推出了世界上最小的長爬電距離光電耦合器 RV1S92xxA和 RV1S22xxA
，同時解決了設備小型化和滿足更嚴格安全標準的問題。

 

 

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