Galvanisk isolasjon holder tritt med kontrollbehov

I overgangen mot bærekraftige energiløsninger og mer effektive motorer i industri- og bilapplikasjoner, er det to utpregede trender i utformingen av de elektroniske systemene som støtter dem. På den ene siden er undersystemer for kraftproduksjon og elektrisk distribusjon som opererer med spenninger på flere hundre volt, og som beveger seg mot kilovolt-regimet. På den andre er høyhastighets mikrokontrollerenheter (MCU-er) som muliggjør avanserte algoritmer for å optimere systemytelsen. De er avhengige av ledende halvlederprosessorer som opererer ved spenninger nær kun 1V.

Høyere spenninger

Det er flere trender som fører til et skifte mot høyere spenninger i kraftgenererings- og distribusjonssystemene. I en rekke systemer, på tvers av områder som bil, industri og grønn energi, søker designere å bruke transistorteknologier med bredt båndgap, som galliumnitrid og silisiumkarbid, for å dra nytte av deres evne til å støtte drift ikke bare ved høyere frekvenser, men høyere spenninger. Høyfrekvent drift forbedrer tettheten til kretser, men har vist seg vanskelig å oppnå med tradisjonelle bulksilisium prosessteknologier på grunn av svitsjetap. Enheter med bredt båndgap lider ikke av de samme tapene.

Bredt båndgap

Teknologiene med brede båndgap er også mer robuste, og kan håndtere høyere forsyningsspenninger enn mange silisiumenheter. Det gjør det mulig å oppnå høye effekttettheter til lave kostnader. Dette muliggjør mindre omformere og, i bilsystemer, ladere som kan levere mer energi på tvers av en rekke battericeller for å støtte hurtigladeprotokoller.

Høyere frekvenser

Drift med høyere frekvens betyr å bruke kontrollalgoritmer som genererer pulsbreddemodulasjonssignaler (PWM) som kan reagere raskt på sensorsignaler og sikre at svitsjeoperasjoner i krafttransistorer synkroniseres riktig. En annen, relatert trend er mot mer sofistikerte kontrollalgoritmer som optimaliserer motor- og omformerytelsen for effektivitet. Disse trendene innebærer bruk av mer avanserte MCUer som vil bli produsert på dyp submikron- eller nanometerklasse prosessteknologier som opererer ved lave spenninger, ofte nær 1V eller lavere.

Lavspent må beskyttes

Komponenter med lave spenninger og støtteenhetene rundt dem må beskyttes mot overspenninger og strømspikere fra høyspenningen. Hvis de forskjellige delene av systemet ikke er isolert fra hverandre, kan elektrisk støy og spikere forplante seg fra et høyspentdelsystem til lavspentkretsene. Tilstedeværelsen av høyspennings- og høystrømkretser på samme kretskort eller innenfor samme system kan forårsake mange problemer. De kan variere fra forbigående problemer som datafeil til sikkerhetsfarer og permanent skade på de følsomme kretsene inne i disse enhetene.

Potensiell skade

Kraftige strømspikere kan forårsake skade på halvlederkomponenter, noe som potensielt kan resultere i latchup-forhold som fører til total systemfeil. Varmen som genereres i komponenter som ikke er konstruert for å håndtere påkjenningene, kan føre til brann. Og nedbryting av isolasjon forårsaket av disse toppene kan føre til at I/O-kabler som normalt anses som trygge kan komme til å bære farlige spennings- og strømnivåer som resulterer i elektriske støt for operatører og brukere. Selv ved relativt lave nivåer kan eksponering for gjentatte elektriske overspenninger føre til redusert systempålitelighet på grunn av progressiv nedbrytning av isolasjonsbarriere-materialene.

Elektrisk støy

Elektrisk støy kan også være problematisk. Slik støy forstyrrer inngangene til sensitive komponenter med blandede signaler, som analog-til-digital-omformere, noe som resulterer i falske avlesninger. Sterkere pulser kan føre til at bits blir snudd i overføringer fra minne og andre digitale perifere enheter til vertsprosessoren.

Krever mer beskyttelse

Antallet steder hvor det er behov for beskyttelse, vokser. I tillegg til å kreve intern I/O, vil ofte delsystemer kommunisere med hverandre på tvers av et nettverk for ytterligere å forbedre effektiviteten og være bedre i stand til å reagere på plutselige endringer i forholdene på en koordinert måte. Dette peker på en økende etterspørsel etter høyhastighetskommunikasjon på tvers av kabelnettverk og systembakplan. I det tøffe elektriske miljøet i mange industrielle systemer trenger disse forbindelsene også beskyttelse mot skade fra høyspente spikere og annen elektromagnetisk interferens (EMI).

Eksempel: PLS

Arkitekturen til en typisk programmerbar logisk styring (PLS) gir et eksempel på de mange forskjellige signalene som må beskyttes. I mange PLSer er systemfunksjonaliteten delt mellom flere samarbeidende moduler som er koblet sammen med et felles bakplan. Dette bakplanet vil vanligvis ivareta lavspente strømskinner som opererer på opptil 24V, sammen med 5V styrestrøm til kontrollmodulene, pluss forsyninger til en kraftmodul.

Flere seksjoner

Kraftmodulen vil generelt deles inn i lav- og høyspentseksjoner. Beskyttelse er nødvendig for PWM-signallinjene som brukes til å styre svitsjingen av krafttransistorer. For å unngå gjennomskyting og lignende svitsjeproblemer kan det være nødvendig med flere PWM-signaler, noe som øker antallet parallelle styresignaler. Støtte for signaler i motsatt retning i samme isolasjonsenhet gjør at feil- og sensorsignaler kan passere fra effekttrinnet til kontrolleren. Eventuelle motorstyringsmoduler vil kreve en lignende kombinasjon av isolerte baner.

Eksterne signaler

PLSen vil ofte inneholde analoge og digitale I/O- moduler for eksterne sensorsignaler. Beskyttelse vil være nødvendig på tvers av disse forskjellige signalene og være i stand til å støtte høye overføringshastigheter på minst mulig kortplass. Nettverksmoduler kan ha behov for å sende data med hastigheter på opptil 100 Mb/s og må beskyttes mot høyspenningsskader og elektrisk støy.

Elektrisk isolasjon

Nøkkelen til mye av beskyttelsen mot overspenninger som forplanter seg på tvers av spenningsdomener kommer i form av elektrisk isolasjon: Et brudd i elektriske veier mellom høy- og lavspentdomenene. Dette fysiske bruddet forhindrer direkte overføring av strøm fra den ene siden til den andre.

Optokoblere

I mange år har optisk isolasjon blitt brukt for å gi den nødvendige separasjonen av elektriske veier mellom to delsystemer. Dette fungerer ved å konvertere innkommende elektriske signaler til fotoner ved hjelp av en lysemitterende diode (LED). En ikke-ledende transparent barriere sender lyset til en fotodetektor på mottakersiden. En viktig fordel med optokobleren er en høy grad av EMC, fordi fotonene ikke påvirkes av elektrisk interferens.

Størrelse et problem

Selv om optokoblere kan leveres i kompakte pakker, kan størrelsen på løsningen være et problem der mer enn noen få kanaler må isoleres. Fordi mer enn én kanal ikke enkelt kan integreres i en enkelt pakke uten kryssinterferens mellom kanaler, leveres de vanligvis som diskrete kretser. Dette kan forårsake problemer der parallell I/O-isolasjon er nødvendig. Beskyttelse for en SPI-buss (Serial Peripheral Interconnection) krever for eksempel fire individuelle komponenter.

Begrenset hastighet

Et annet problem for optokoblere er at den maksimale datahastigheten de kan passere er begrenset av responstidene til både LED og fotodetektor. I praksis er den maksimalt oppnåelige digitale båndbredden rundt 50Mb/s. Langsiktig pålitelighet er også et problem. Lyseffekten til LED degraderes over tid, noe som kan påvirke systemets ytelse og nøyaktighet.

Kapasitiv kobling

En teknologi som gir muligheten til å bruke integrerte enheter for parallell I/O er kapasitiv, selv om den pleier å være egnet for scenarier der et lavere isolasjonsnivå er nødvendig. Denne formen for isolert kopler bruker lade- og utladingssyklusen til en kondensator for å overføre data. Det er ingen strøm av likestrøm da denne vil bli blokkert av isolasjonen mellom de kapasitive elementene. Selv om det kan være begrenset av lade- og utladingshastigheter hvis det kreves store kapasitanser, kan teknologien støtte høye datarater.

Ikke tilstrekkelig

Isolasjon er generelt begrenset til nedbrytningsspenningen til de isolerende lagene som sitter mellom de kapasitive elementene. For små enheter er dette kanskje ikke tilstrekkelig til å blokkere store høyspentspikere, slik som de som kan oppstå i systemer der forsyningen er 500V eller mer.

Galvanisk isolasjon

Galvanisk isolasjon drar fordel av en av de tidligste formene for elektrisk kobling som kan identifiseres. Fysikere på begynnelsen av 1800-tallet fant at bevegelsen av elektriske bærere gjennom en trådspole vil påvirke bevegelsen til bærere i en annen nærliggende spole som ikke er direkte sammenkoblet. Feltet generert av strømmen i primærviklingen induserer en strøm i sekundærviklingen. Når den implementeres i en isolasjonsløsning, fungerer den ene spolen som en signalsender og den andre en mottaker uten bruk av en direkte elektrisk tilkobling.

Tåler tusenvis av volt

Som transformatorer i elektrisk distribusjon har vist, kan denne anvendelsen av magnetisk induksjon for isolasjon fungere i systemer som opererer med svært høye spenninger, og beskytter mot overspenninger på tusenvis av volt. Som et resultat gir bruken av magnetisk kobling en kombinasjon av høy beskyttelse, lang levetid og kan fungere ved høyere hastigheter enn de som støttes av optokoblere.

Krympet

Selv om den brukes i store elektriske installasjoner, trenger ikke magnetisk kobling være klumpete. Fremskritt innen halvlederteknologi har gjort det mulig å integrere induktorer i små komponenter på brikkenivå. Dette muliggjør levering av flere kanaler som opererer parallelt innenfor en enkelt pakke, og gir ytterligere plassbesparelser. Et eksempel er DCL54x01-serien utviklet av Toshiba. Isolatoren består av to sampakkede brikker. Den ene er en modulator for et inngangssignal og den andre siden demodulerer det mottatte signalet.

To isolerte dyser

Toshibas bruk av to isolerte dyser i deres galvaniske isolasjonsløsninger tillater en dobbel isolasjonsstruktur, som gir maksimal beskyttelse. Denne utformingen forhindrer kortslutninger mellom de to sidene av isolasjonen selv om isolasjonsbarrieren på den ene siden blir skadet. Denne arkitekturen sikrer at spenningsstøt så høye som 12,8 kV ikke kan gå over til den andre siden av barrieren, og at komponentene tilfredsstiller kravene til VDE V 0884-11-standarden.

Levetid: 70 år!

Tester basert på målinger ved bruk av standard tidsavhengig dielektrisk sammenbrudd- (TDDB) tester med 1,2 kVrms pulser har vist at strukturdesignet gir en forventet isolasjonslevetid på opptil 70 år. Denne graden av lang levetid vil bidra til å støtte grønn energi og industrielle applikasjoner, hvor levetiden kan forlenges i flere tiår.

Beskyttelse mot støy

Beskyttelse mot støy selv ved drift i høye hastigheter kan ivaretas av modulasjonsskjemaet for av/på-signalering. Denne formen for modulasjon bruker tilstedeværelsen og fraværet av et bæresignal for å signalisere henholdsvis høye og lave logiske tilstander. Modulasjonsskjemaet gir en svært effektiv og pålitelig metode for å kommunisere PWM-signaler fra en mikroprosessor til portdriverne som kontrollerer en motor eller omformer på høyspenningssiden av kretskortet. Når det gjelder DCL54x01, leverer metoden en pulsbreddeforvrengning på mindre enn 3ns, noe som sikrer nøyaktig overføring av PWM og andre høyhastighets logiske nivåsignaler. Metoden støtter også overføring av data med hastigheter på 150 Mb/s eller mer med høy støyimmunitet. Dette inkluderer immunitet mot common-mode transienter.

Common mode

Common-mode støy er en type støy der strømmen flyter i samme retning på både signal- og jordlinjene, og oppstår ofte i høyspentsystemer. Isolasjon mot denne formen for støy er vanskeligere å oppnå fordi skiftet påvirker både signal- og jordlinjer og potensielt kan kobles gjennom en isolasjonsbarriere, spesielt når det gjelder kapasitive isolasjonsprodukter. Hvis strømmen koblet til mottakersiden når et visst nivå, kan det forårsake en funksjonsfeil ikke bare i selve isolasjonsgrensesnittet, men i systemet. Høy common-mode transient immunity (CMTI) er avgjørende for pålitelig drift. Dette støttes lett av magnetiske isolasjonsprodukter.

Flerkanalsdrift

Fordi isolatorene kan dra nytte av den doble isolasjonsstrukturen for å gi beskyttelse mot høyspenningsstøt, er flerkanalsdrift i små pakker lett å få til. Med DCL54x01-familien som et eksempel, gir produktene i denne serien fire kanaler i en rekke forover-bakover-konfigurasjoner. Inngangen til hver kanal i forover- eller bakoverretning kan aktiveres eller deaktiveres dynamisk av egne lavspente styringslinjer.

Rett kombinasjon

Beskyttelse mot spenningsspikere og støy er essensielt i mange systemer i bilindustrien, industri og miljøer med grønn energi. Magnetiske koblere gir den rette blandingen av hastighet, høyspenningsbeskyttelse, langsiktig pålitelighet og integrasjon for å støtte behovet for sikker kommunikasjon innenfor disse systemene.

Artikkelen er den komplette versjonen av artikkel publisert i Elektronikk 4/2024, s. 30.