Photocoupleurs ACNT de 15 mm de large de Broadcom pour applications haute tension

Introduction

La gamme de photocoupleurs ACNT de Broadcom offre une fuite en surface de 15 mm et un dégagement de 14,2 mm pour les applications d'isolement haute tension. Ces photocoupleurs fournissent une tension d'isolement de fonctionnement de 2262 V_PEAK et une surtension transitoire de 12 000 V_PEAK dans un boîtier SO-8 étiré compact à montage en surface. Les photocoupleurs ACNT se composent de types de produits exhaustifs pour répondre à de nombreuses exigences en matière d'isolation galvanique et de fonctionnalités. Ils incluent le photocoupleur d'attaque de grille ACNT-H343, le photocoupleur numérique 10 MBd basse consommation ACNT-H61L, l'amplificateur d'isolement haute linéarité ACNT-H790/H79A/H79B pour la détection de courant, le dispositif de détection de tension ACNT-H870/H87A/H87B et le photocoupleur analogique basse vitesse ACNT-H50L/H511. La Figure 1 illustre les différents emplacements d'isolement ainsi que l'objectif de chaque type de photocoupleur ACNT dans le cas d'un onduleur triphasé qui convertit une puissance CC/CA en charge (moteur). Les photocoupleurs ACNT sont fiables et simples à utiliser.

Figure 1 : Photocoupleurs ACNT répondant à différents besoins d'isolement dans un onduleur. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Tendance et exigences relatives à la haute tension

Dans les segments de marché de l'énergie renouvelable (solaire ou éolienne), de la traction et des systèmes de soins de santé, on observe une tendance en matière de tension de bus CC plus élevée ou d'exigence d'immunité supérieure aux tensions transitoires. Les nouveaux systèmes solaires/photovoltaïques ont adopté une tension de 1500 V_CC depuis 1000 V_CC. Cette mise à niveau permet d'augmenter le rendement énergétique et de réduire les coûts.

Un facteur contribuant à ces deux avantages est qu'il est possible de former davantage de blocs photovoltaïques par chaîne (une chaîne plus longue de panneaux photovoltaïques). Des combinateurs consolident la puissance entrante dans un flux principal. Avec des chaînes photovoltaïques plus longues mais moins nombreuses, le recours à des combinateurs diminue. La haute tension d'entrée CC permet également de limiter les pertes de puissance sur le fil (cuivre). Globalement, le système de 1500 V présente des connexions réduites entre les ensembles de chaînes photovoltaïques et l'onduleur par rapport aux systèmes de 1000 V ou de tension CC inférieure. La densité de puissance élevée et la réduction des équipements permettent également de réduire les coûts de main-d'œuvre pour la maintenance. L'un des défis associés au système de 1500 V réside dans la sécurité électrique et les nombreuses normes de certification des composants. L'isolement entre le module de commande et les produits d'alimentation doit pouvoir résister à des tensions élevées (stables et transitoires) et aux lignes de fuite correspondantes (Figure 2). Les photocoupleurs ACNT de 15 mm de large de Broadcom ont la capacité de répondre à ces exigences.

Figure 2 : Système de génération d'énergie photovoltaïque de 1500 V. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Dans la solution éolienne du segment des énergies renouvelables, les photocoupleurs ACNT gagnent en popularité dans les pays européens dans le cadre d'un programme national de renouvellement des réseaux de distribution pour remplacer les centrales nucléaires par des ressources renouvelables.

La Figure 3 illustre l'isolement d'un convertisseur de fréquence en utilisant un photocoupleur 10 MBd basse consommation ACNT-H61L de 15 mm de large. Ces composants isolent les signaux de commande et de retour de défaut entre les IGBT haute tension et de commande basse tension. Dans un autre sous-segment du réseau électrique, l'adoption du réseau électrique intelligent a permis de perfectionner les mesures des lignes de distribution basse ou moyenne tension. Une fuite en surface plus large est requise dans un système triphasé (mesure > 400 V_CA) pour assurer la sécurité et l'isolement haute tension de la communication de données. La sécurité est également plus importante dans un réseau électrique intelligent. La fiabilité à long terme du photocoupleur analogique basse vitesse ACNT-H50L permet de sécuriser les communications de données isolées.

Figure 3 : Énergie renouvelable – Convertisseur de fréquence de solutions éoliennes. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Le contrôle de traction des systèmes de train léger ou monorail constitue un autre exemple d'application haute tension. Dans ces systèmes, les photocoupleurs ACNT sont utilisés dans la conversion CC/CC d'une tension de 1500 V. La Figure 4 illustre un convertisseur de puissance monorail avec une tension de bus de 1500 V_CC. Les différentes solutions d'isolement haute tension suivantes garantissent la fiabilité et la robustesse dans un environnement à bruit élevé : quatre photocoupleurs numériques pour l'interface de commande isolée haute tension - basse tension, deux amplificateurs d'isolement de détection de tension pour le contrôle de niveau de tension isolé et des photocoupleurs analogiques basse vitesse pour les communications E/S isolées.

Figure 4 : Convertisseur de puissance dans les applications de traction. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Dans les systèmes de soins de santé, la 4^e édition de la norme médicale CEI 60601-1-2 exige un niveau supérieur d'immunité aux décharges électrostatiques (DES) pour les types à décharge d'air et de contact. Ce test type d'immunité aux décharges électrostatiques s'applique entre les circuits de détection (p. ex., pression artérielle, ECG), où le patient est en contact direct avec l'équipement et le tableau de commande de l'appareil de surveillance du patient. L'ACNT-H61L répond à cette exigence révisée, avec une surtension transitoire de 12 000 V_CA. Sa large fuite en surface et son dégagement permettent un espace d'isolement étendu et une formation d'arc électrique limitée.

Révision des normes réglementaires

L'harmonisation des organisations internationales de normalisation UL et CEI a soulevé des exigences plus contraignantes en termes de fuite en surface et de dégagement. Depuis 2016, la norme UL 508C (équipement de conversion de puissance) a été remplacée par la norme CEI 61800-5-1 (entraînements électriques de puissance à vitesse variable). Une fuite en surface et un dégagement plus importants pour le nouveau modèle d'entraînement sont nécessaires pour maintenir la même spécification. Par exemple, un dégagement et une fuite en surface d'au moins 13,8 mm sont requis pour un isolement renforcé à une tension nominale de 690 V_CA.

Dans les systèmes médicaux, les photocoupleurs présentent l'avantage de prendre en charge la surtension transitoire de décharge d'immunité DES élevée nécessaire sur une barrière galvanique. Pour l'application de surveillance des patients, le test type d'immunité aux DES s'applique entre les circuits de détection (p. ex., pression artérielle, ECG), où le patient est en contact direct avec l'équipement et le tableau de contrôle de l'appareil. Pour répondre aux risques d'interférences électromagnétiques (EMI) des appareils médicaux actuels qui sont de plus en plus utilisés en dehors des hôpitaux, la nouvelle quatrième édition de la norme CEI 6061-1-2 relative aux équipements médicaux électriques définit une augmentation des niveaux d'immunité DES pendant les tests des appareils médicaux (Figure 5). L'ACNT-H61L utilisé dans les dispositifs de surveillance des patients bénéficie d'une surtension transitoire nominale de 12 000 V_PEAK. Son dégagement et sa fuite en surface de 15 mm permettent un espace d'isolement plus large pour réduire la formation d'arc.

Figure 5 : Répondez aux exigences de haute tension d'isolement dans les systèmes médicaux – ACNT-H61L. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Photocoupleurs ACNT de Broadcom

Les photocoupleurs de Broadcom présentent d'excellentes performances et peuvent résister à une surtension élevée (forme d'onde de tension de 1,2 µs/50 µs). Conformément à la norme CEI 60747-5-5 relative à la sécurité des composants, les photocoupleurs ACNT de Broadcom supportent plus de 25 kV. Le critère de réussite repose sur l'absence de perforation ou de rupture partielle de l'isolant solide à une décharge partielle de moins de 5 pC. Comme illustré dans la Figure 6, l'ACNT-H50L est testé dans des conditions non atmosphériques pour éliminer la formation d'arc électrique en présence d'une surtension élevée (voir rapport de résultats du test TUV).

Figure 6 : Les photocoupleurs de Broadcom prennent en charge une surtension élevée, conformément à la norme CEI 60747-5-5. (Source de l'image : Broadcom Limited)

Résumé

L'ACNT-H343 est un nouveau modèle de photocoupleur d'attaque de grille de 5 A dans un boîtier SSO-8 de 15 mm, conçu pour les applications industrielles haute tension en espace restreint, y compris les commandes moteur de 690 V_CA et les onduleurs solaires de 1500 V. L'ACNT-H343 affiche une immunité transitoire en mode commun (CMTI) supérieure à 100 kV/µs, prévenant ainsi les défaillances de circuits d'attaque de grille erronées dans les environnements bruyants. Le dispositif présente un temps de propagation minimal et il est trois fois plus rapide que les dispositifs de génération précédente, ce qui permet une commutation haute fréquence pour améliorer le rendement de commande des IGBT et des MOSFET SiC ou GaN.

L'ACNT-H61L est un photocoupleur numérique basse puissance de 10 MBd n'exigeant que 4,5 mA minimum pour le courant d'attaque LED avec un circuit intégré de détection consommant 2 mA I_DD maximum dans la plage de températures de fonctionnement. La sortie du circuit intégré du détecteur est une sortie CMOS. L'écran de Faraday interne garantit une spécification d'immunité transitoire en mode commun de 20 kV/µs. L'ACNT-H61L est adapté à la commande et à la communication via une interface logique isolée dans les systèmes de conversion de puissance transitoire ou haute tension.

L'ACNT-H50L/H511 est un photocoupleur de 1 MBd à un canal avec une sortie de transistor à collecteur ouvert. Les connexions séparées pour la polarisation de la photodiode et le collecteur du transistor de sortie augmentent la vitesse jusqu'à cent fois par rapport à celle d'un phototransistor conventionnel en réduisant la capacité du collecteur de base. L'ACNT-H50L/H511 est adapté aux applications telles que la rétroaction de commande de puissance et les applications de défaut isolé ou analogiques basse vitesse.

Les capteurs de tension ACNT-H87B (tolérance de gain de ±0,5 %), ACNT-H87A (tolérance de gain de ±1 %) et ACNT-H870 (tolérance de gain de ±3 %) sont des amplificateurs d'isolement optiques spécialement conçus pour la détection de tension. Leur plage d'entrée de 2 V et leur haute impédance d'entrée de 1 GΩ répondent aux exigences de détection de tension isolée pour les applications de convertisseur de puissance électronique. Pour une implémentation de détection de tension typique, un diviseur de tension résistif est utilisé pour ajuster la tension de liaison CC afin de l'adapter à la plage d'entrée du capteur de tension. Une tension de sortie différentielle proportionnelle à la tension d'entrée est créée sur l'autre côté de la barrière galvanique optique.

Les amplificateurs d'isolement ACNT-H79B (tolérance de gain de ±0,5 %), ACNT-H79A (tolérance de gain de ±1 %) et ACNT-H790 (tolérance de gain de ±3 %) sont conçus pour la détection du courant et de la tension dans les applications de convertisseur de puissance électronique. Ces photocoupleurs fournissent la précision et la stabilité requises pour surveiller précisément le courant moteur dans les environnements de commande moteur à bruit élevé, offrant un contrôle plus lisse (moins d'« ondulation de couple ») dans de nombreux types de commande moteur. Combinés à une technologie de couplage optique supérieure, les dispositifs ACNT-H79B/H79A/H790 utilisent une modulation analogique-numérique sigma-delta (∑-∆), des amplificateurs stabilisés par découpage et une topologie de circuit entièrement différentielle pour fournir des valeurs inégalées de réjection du bruit en mode d'isolement, de faible décalage, de précision de gain élevée et de stabilité.