Renforcer la sécurité et la fiabilité des applications industrielles haute tension avec des isolateurs galvaniques

De nombreux systèmes d'automatisation industriels, en particulier ceux qui sont implantés sur les sites de fabrication, doivent communiquer avec des équipements avec de hautes tensions de plusieurs centaines à plusieurs milliers de volts. Les isolateurs basés sur des semi-conducteurs sont fréquemment utilisés pour séparer ces hautes tensions des tensions logiques numériques de 5 volts bien inférieures utilisées dans la plupart des systèmes de contrôle. Par exemple, les photocoupleurs à double puce et à boîtier simple sont largement utilisés à cette fin en raison de leur résistance élevée aux hautes tensions transitoires et à leur immunité contre les champs magnétiques ambiants. Néanmoins, les concepteurs ont besoin d'une technologie plus stable dans le temps et face à des températures extrêmes, et qui soit moins complexe d'un point de vue de la fabrication.

Cet article explique pourquoi et comment utiliser des isolateurs galvaniques à boîtier simple pour isoler en toute sécurité les hautes tensions utilisées dans les systèmes industriels, médicaux et de véhicules électriques (EV) modernes. Il étudie ensuite deux isolateurs galvaniques au silicium de Texas Instruments qui ciblent les systèmes haute tension et haute fiabilité, et aborde la façon de les disposer correctement sur une carte à circuit imprimé pour isoler de manière sécurisée les hautes tensions de la logique numérique utilisée dans les contrôleurs logiques programmables (PLC) et les interfaces humaines.

Pourquoi isoler les hautes et basses tensions ?

De nombreux systèmes industriels sont contrôlés au moyen de PLC, d'ordinateurs ou d'interfaces homme-machine (IHM). Ces systèmes de contrôle fonctionnent grâce à des tensions de commande numériques standard de 5 volts ou moins. Lors de l'interfaçage de ces systèmes pour gérer pour gérer de hautes tensions de 120 volts ou plus, il est important de séparer physiquement et d'isoler électriquement les basses tensions numériques des équipements haute tension. Les convertisseurs de puissance, les convertisseurs CC/CC et les véhicules électriques (EV) doivent également séparer soigneusement les tensions de commande numériques des milliers de volts potentiellement utilisés dans le système.

Les transistors de puissance peuvent facilement gérer ces applications, mais pas de manière sécurisée. Les transistors dans ces applications contrôlent les tensions numériques et les hautes tensions sur le même substrat semi-conducteur. Un dysfonctionnement ou des dommages physiques du transistor de puissance peuvent rapidement entraîner l'injection de milliers de volts dans la logique numérique. En plus de détruire l'équipement de contrôle, cela met aussi l'utilisateur en danger.

Historiquement, l'isolement optique a toujours été la méthode préférée pour séparer physiquement et isoler électriquement les systèmes basse tension et haute tension. Un photocoupleur à deux puces et à boîtier simple typique contient une LED sur une puce qui rayonne la lumière émise, généralement infrarouge, à travers une barrière galvanique transparente vers un récepteur à photodiode sur la deuxième puce. La photodiode convertit cela en un signal basse tension utilisé pour contrôler les circuits haute tension.

Pour qu'un photocoupleur contrôle de manière sécurisée des milliers de volts, la puce de la LED et la puce de la photodiode sont toutes les deux entourées d'une barrière galvanique transparente conçue à partir d'un matériau capable de supporter la tension nominale du photocoupleur.

Les photocoupleurs résistent au bruit électronique transitoire et sont complètement immunisés aux champs magnétiques ambiants, ce qui fait d'eux le meilleur choix pour les applications de commande moteur haute tension. Les photocoupleurs pour applications à usage intensif peuvent supporter des surtensions très élevées de 10 000 volts ou plus.

Cependant, ils sont moins performants en cas de températures élevées. En outre, les LED dans les photocoupleurs se dégradent avec le temps. Les photocoupleurs sont aussi des dispositifs à deux puces, ce qui implique un processus de fabrication plus complexe par rapport aux semi-conducteurs à une seule puce.

Isolation galvanique

Dans les applications où des températures extrêmes sont probables et où la longévité est une priorité, il est possible d'utiliser des isolateurs galvaniques à boîtier simple. Alors que l'isolement optique sépare deux circuits avec des LED et des photodiodes, l'isolation galvanique sépare électriquement deux circuits avec des composants à couplage de charge grâce à des condensateurs ou des inducteurs à base de dioxyde de silicium (SiO₂). L'efficacité de l'isolation dépend du diélectrique SiO₂.

Les isolateurs galvaniques sont des dispositifs haute vitesse et à longue durée de vie qui communiquent facilement avec la plupart des microcontrôleurs. Des exemples présentés récemment ont été testés pour supporter jusqu'à 6000 volts, fonctionner à des températures jusqu'à 150°C et durer plus de 35 ans. Cela améliore la sécurité et la fiabilité du système global, tout en réduisant les coûts de maintenance.

Par exemple, l'isolateur numérique à usage général à six canaux ISO7762FDWR de Texas Instruments peut supporter une tension efficace jusqu'à 5000 volts RMS (V_RMS) et présente une surtension d'isolement de 12 800 volts (Figure 1). L'ISO7762 est disponible avec deux options : l'ISO7762F a des broches de sortie OUT[A:F] à logique de sortie par défaut à l'état bas, alors que sans le suffixe F l'état de la logique de sortie par défaut est haut.

Figure 1 : L'ISO7762F de Texas Instruments est un isolateur galvanique à six canaux avec quatre canaux directs et deux canaux inverses. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'ISO7762F présente deux domaines de puissance : un à gauche, un à droite, séparés électriquement et physiquement par une couche isolante SiO₂. Chaque domaine de puissance a ses propres broches indépendantes d'alimentation et de masse.

Le dispositif possède quatre canaux directs et deux canaux inverses. Les deux canaux inverses (entrées E et F) permettent l'envoi d'informations depuis le système haute tension vers le système de contrôle numérique tout en maintenant une isolation sûre des deux domaines de puissance. Les données transmises dans les deux sens peuvent être des données d'activation/de désactivation numériques simples ou des données série utilisant une interface UART ou I²C à deux fils.

Pour chaque canal, l'ISO7762F utilise deux condensateurs SiO₂ en série pour séparer les deux domaines de tension. Les données numériques sont transmises au moyen d'une modulation par tout ou rien (OOK) où un 1 logique au niveau de l'une des entrées IN[A:F] est représenté par un signal CA qui traverse le condensateur pour rejoindre l'autre domaine de puissance, et où un 0 logique est représenté par 0 volt. Les données au niveau de la sortie OUT[A:F] correspondante reflètent l'état logique de la broche d'entrée. Le diélectrique SiO₂ dans les condensateurs sépare les deux domaines de puissance pour isoler en toute sécurité les composants électroniques de contrôle haute tension du système de contrôle numérique.

Les concepteurs de l'ISO7762F ont mis l'accent sur une résistance d'isolement élevée, pour une sécurité maximale. La résistance d'isolement à 25°C présente une valeur nominale de plus de 1 téraohm (TΩ). La résistance d'isolement de l'ISO7762F à 150°C est supérieure à 1 gigaohm (GΩ). Pour avoir une idée de ce que cela représente, cette résistance est supérieure à celle de l'air ambiant autour de l'ISO7762F.

L'ISO7762F est conçu par Texas Instruments pour durer au moins 37 ans, mais la couche isolante de l'isolation galvanique est conçue pour durer plus de 135 ans. Même si les équipements ne nécessitent généralement pas de garantie opérationnelle aussi longue, ces chiffres reflètent la fiabilité et la durabilité du dispositif.

Pour des tensions de tenue encore plus élevées, l'ISO7821LLSDWWR de Texas Instruments est un tampon d'isolement différentiel à double canal qui présente une valeur nominale de 5700 V_RMS avec une surtension d'isolement de 12 800 volts (Figure 2). Les deux canaux vont chacun dans des directions opposées. Chaque canal est un émetteur à paire différentielle utilisé pour les communications de données de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) à des vitesses jusqu'à 150 mégabits par seconde (Mbps).

Figure 2 : L'isolateur numérique ISO7821LLS de Texas Instruments possède deux canaux différentiels dans des directions opposées. Chaque tampon de sortie présente une activation de sortie capable de désactiver la sortie à un état haute impédance. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le SiO₂ utilisé pour l'isolation galvanique dans l'ISO7821LLS est le même que celui de l'ISO7762F, à la différence que l'ISO7821LLS utilise un seul condensateur pour chaque canal au lieu de deux condensateurs en série. Il utilise également la même modulation OOK pour transmettre les données numériques par le biais des condensateurs SiO₂.

Le circuit d'attaque d'isolation galvanique de l'ISO7821LLS peut transmettre les données LVDS via des câbles de grade industriel comme le câble à double paire torsadée à usage intensif 88723-002500 de Belden. Il s'agit d'un câble industriel haut de gamme qui contient deux paires torsadées de fils de 22 AWG dans une gaine rouge. Il est conçu pour une utilisation en intérieur comme en extérieur et peut même être enterré. Ce câble est compatible avec des températures de fonctionnement extrêmes de -70°C à +200°C. Il convient donc aux applications industrielles haute tension difficiles, comme les onduleurs solaires dans des environnements très chauds ou très froids. Une unité de commande peut transmettre les données de commande LVDS dans les deux sens via ce câble Belden à un ISO7821LLS contenu dans la boîte de l'onduleur solaire. Toute surtension due à un dysfonctionnement au niveau de la boîte du convertisseur serait interrompue au niveau de l'isolateur, protégeant ainsi l'unité de commande basse tension et les éventuels opérateurs humains à proximité de l'unité.

Les deux sorties de l'ISO7821LLS de Texas Instruments disposent de broches d'activation indépendantes qui peuvent désactiver leurs sorties respectives en les plaçant dans un état haute impédance. Cette fonction est utile si le dispositif est placé sur un bus LVDS avec plusieurs circuits d'attaque et doit céder le bus à un autre maître de bus. Cela s'applique dans les environnements industriels où un équipement haute tension doit être utilisé par plusieurs unités de commande à différents emplacements.

Pour aider les concepteurs à évaluer l'ISO7821LLS, Texas Instruments propose la carte d'évaluation ISO7821LLSEVM (Figure 3). Elle nécessite très peu de composants externes et peut être utilisée pour évaluer le comportement et les performances de l'ISO7821LLS. Elle permet également de surveiller les communications du bus LVDS à des fins de test et d'analyse comparative.

Figure 3 : Le module d'évaluation ISO7821LLSEVM de Texas Instruments peut être utilisé pour tester et évaluer les performances de communication des données LVDS du tampon d'isolement différentiel double canal ISO7821LLS. (Source de l'image : Texas Instruments)

Chaque application haute tension étant différente, l'ISO7821LLSEVM n'est pas destiné à tester le comportement de l'isolement haute tension de l'ISO7821LLS.

Configuration de l'isolateur galvanique

La configuration de l'isolateur galvanique haute tension doit être effectuée très soigneusement pour assurer un isolement efficace. Pour une conception de carte à circuit imprimé à faibles interférences électromagnétiques (EMI), les règles de configuration standard s'appliquent. Elles incluent l'utilisation d'une carte à circuit imprimé d'au moins quatre couches avec des pistes haute vitesse sur le dessus, un plan de masse solide en dessous, et le plan de puissance encore en dessous. Les signaux de contrôle plus lents doivent se trouver sur le plan inférieur.

Il est essentiel que les composants haute tension et basse tension soient physiquement séparés sur la carte à circuit imprimé. À cette fin, les isolateurs dont il a été question ici possèdent des domaines de puissance séparés pour les côtés gauche et droit du boîtier. Par ailleurs, les pistes d'un domaine ne doivent pas se trouver à proximité de celles de l'autre domaine pour éviter les interférences de signaux.

Si l'isolateur se trouve dans la section haute tension, il peut être plus sûr de le placer en tournant le côté basse tension vers un bord de la carte à circuit imprimé. Cette configuration permet d'empêcher la formation d'arcs au niveau des hautes tensions vers le côté basse tension, ce qui pourrait sérieusement endommager les composants électroniques basse tension de l'autre côté de l'isolateur.

Conclusion

Les équipements industriels qui utilisent plusieurs milliers de volts nécessitent des composants capables d'isoler de manière sécurisée ces hautes tensions de la logique de contrôle numérique de 5 volts ou moins, afin de protéger les équipements et leurs utilisateurs. De par la nature des équipements industriels, cet isolement se doit d'être stable et fiable en cas de variations de température extrêmes et pendant de longues périodes.

Comme indiqué ici, les isolateurs numériques basés sur une isolation galvanique possèdent des caractéristiques d'isolement et des spécifications de température de fonctionnement qui conviennent à ces applications. Si la configuration fait l'objet d'une attention particulière adaptée, ces isolateurs peuvent prévenir les dommages ou les blessures.