Broadcom 的 15 mm 寬 ACNT 光耦合器在高電壓應用中的運用

介紹

Broadcom 的 ACNT 光耦合器系列提供 15 mm 沿面距離和 14.2 mm 間隙，適用於高電壓隔離應用。這些光耦合器採用小巧的延長型表面黏著式 SO-8 封裝，可提供 2,262 V_PEAK 工作隔離電壓和 12,000 V_PEAK 暫態過電壓。ACNT 光耦合器產品類型完整，能滿足不同的電流隔離需求與功能。其類型包括 ACNT-H343 閘極驅動光耦合器、ACNT-H61L 低功率 10 MBd 數位光耦合器、用於電流感測的 ACNT-H790/H79A/H79B 高線性隔離放大器、ACNT-H870/H87A/H87B 電壓感測器，以及 ACNT-H50L/H511 低速類比光耦合器。以一個將 DC-AC 功率轉換成負載 (馬達) 的三相逆變器為例，圖 1 顯示每個 ACNT 光耦合器產品類型的不同隔離位置以及用途。ACNT 光耦合器不僅可靠，使用起來也很簡單。

圖 1：ACNT 光耦合器能滿足逆變器的各種隔離需求。(圖片來源：Broadcom Limited)

高電壓趨勢與要求

在再生能源 (太陽能或風力)、牽引和醫療保健系統的市場區隔中，對較高 DC 匯流排電壓或高暫態電壓耐受性的要求已發展成一種趨勢。新的太陽能／PV 系統已從 1000 V_DC 升到 1500 V_DC。這類升級能提高能效並降低成本。

其中一個促成原因是，每一串可包含更多的 PV 區塊 (更長串的 PV 陣列)。匯線盒會將輸入功率合併入一條主饋線。隨著 PV 串變得更長、數量變得更少，對匯線盒的需求將會減少。此外，輸入 DC 電壓變高，也會降低電線 (銅線) 的功率損耗。整體而言，相較於 1000 V 或更低的 DC 電壓系統，1500 V 系統在 PV 串陣列與逆變器之間的連接會更少。較高的功率密度與較少的設備，也降低了人力維護成本。電氣安全以及各種元件認證標準，是 1500 V 系統的一大挑戰。控制模組與電源產品之間的隔離，必須能承受高電壓 (包含穩定和暫態) 以及相關的沿面距離 (圖 2)。Broadcom 的 15 mm 寬 ACNT 光耦合器能滿足這些要求。

圖 2：PV 發電系統 – 1500 V。(圖片來源：Broadcom Limited)

在再生能源風力解決方案中，ACNT 光耦合器在歐洲國家非常普及，是國家級配送電網用再生能源代替核能發電廠的汰新計畫的一部分。

圖 3 顯示使用 15 mm 寬 ACNT-H61L 10 MBd 低功率光耦合器進行的變頻器隔離。 這些元件能隔絕低電壓控制與高電壓 IGBT 之間的控制與故障回授訊號。在電網的另一個子區隔中，低電壓或中電壓配送線的計量則更為先進，構成了智慧電網的一部分。為了實作資料通訊的安全與高電壓隔離，三相電路需要更寬的沿面距離 (>400 V_AC 計量)。此外，安全性在智慧電網中變得更加重要。低速類比光耦合器 ACNT-H50L 的長期可靠性，有助於保護隔離的資料通訊。

圖 3：再生能源 – 風力解決方案的變頻器。(圖片來源：Broadcom Limited)

另一個高電壓應用範例是輕軌或單軌系統的牽引控制。在這些系統中，ACNT 光耦合器用於 1500 V 的 DC-DC 轉換。圖 4 顯示具有 1500 V_DC 匯流排電壓的單軌功率轉換器。系統使用四個數位光耦合器來隔離高電壓至低電壓控制介面，使用兩個電壓感測隔離放大器來隔離電壓位準控制，並使用該低速類比光耦合器來隔離 I/O 通訊，可在高雜訊環境中提供高電壓隔離，確保可靠性與耐用性。

圖 4：牽引應用中的功率轉換器。(圖片來源：Broadcom Limited)

在醫療保健系統中，第 4 版醫療標準 IEC 60601-1-2 為接觸放電與空氣放電類型規定了更高的 ESD 等級。此 ESD 耐受性類型測試適用於病患直接與設備接觸的感測電路 (例如血壓、ECG)，以及病患監測裝置的控制板之間。ACNT-H61L 的暫態過電壓為 12,000 V_AC，因此符合這項修訂要求。其寬廣的沿面距離與間隙允許更寬的隔離空隙並最大限度減少電弧。

監管標準修訂

在國際標準機構 UL 與 IEC 的協調期間，產生了更嚴格的沿面距離與間隙要求。2016 年起，UL 508C (功率轉換設備) 開始過渡到 IEC 61800-5-1 (速度可調式電力驅動系統)。新的驅動型號需要更寬的沿面距離與間隙，才能維持相同的額定值規格。例如，690 V_AC 額定值的強化絕緣需要至少 13.8 mm 的沿面距離和間隙。

在醫療系統裡，對於處理隔離屏障上所需要的高 ESD 耐受性放電暫態過電壓，ACNT 光耦合器有其優勢。在病患監測應用中，ESD 耐受性類型測試適用於病患直接與設備接觸的感測電路 (例如血壓、ECG)，以及監測裝置的控制板之間。由於越來越多醫療裝置在醫院外使用，為了因應所帶來的電磁干擾 (EMI) 威脅，新的第四版醫療電氣設備標準 (IEC 60601-1-2)，提高了醫療裝置在測試期間的 ESD 耐受性放電位準 (圖 5)。將 ACNT-H61L 用於病患監測裝置的優勢在於，具有高暫態過電壓額定值 (12,000 V_PEAK)，而且 15 mm 的寬沿面距離與間隙可允許更寬的隔離空隙，最大限度減少電弧。

圖 5：滿足醫療系統的高隔離電壓需求 – ACNT-H61L。(圖片來源：Broadcom Limited)

Broadcom 的 ACNT 光耦合器

Broadcom 光耦合器具有絕佳的效能，且能承受高電壓突波 (1.2 µs / 50 µs 電壓波形)。依照 IEC 60747-5-5 元件安全標準，Broadcom 的 ACNT 光耦合器能傳遞 25 kV 以上電壓。傳遞標準是在低於 5 pC 局部放電下，固態隔離未發生穿透或局部崩潰。如圖 6 所示，ACNT-H50L 在非空氣條件下進行測試，以消除高電壓突波下產生的電弧 (請參考 TUV 測試結果報告)。

圖 6：Broadcom 光耦合器符合 IEC 60747-5-5 的高電壓突波要求。(圖片來源：Broadcom Limited)

總結

ACNT-H343 是一款新推出的 5 A 閘極驅動光耦合器。該元件採用 15 mm SSO-8 封裝，專為高電壓、空間有限的工業應用而設計，如 690 V_AC 馬達驅動器和 1500 V 太陽能逆變器。ACNT-H343 具有大於 100 kV/μs 的共模暫態耐受性 (CMTI)，能在雜訊環境中預防不正常的閘極驅動器故障。該元件具有最小的傳播延遲，其速度比前一代快三倍，可高頻切換，進而更有效率地驅動絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 以及 SiC/GaN MOSFET。

ACNT-H61L 是一款 10 MBd 低功率數位光耦合器，最低只需要 4.5 mA 的電流就能驅動 LED，而且在工作溫度範圍內，檢測器 IC 最多耗用 2 mA I_DD。偵測器 IC 的輸出為 CMOS 輸出。內部法拉第屏蔽保證提供 20 kV/µs 共模暫態耐受性規格。ACNT-H61L 適用於高電壓或暫態功率轉換系統中隔離邏輯介面的通訊及控制。

ACNT-H50L/H511 是一款單通道 1 MBd 光耦合器，具有開集極電晶體輸出。光電二極體偏壓與輸出電晶體集極的獨立連接，可以降低基礎集電極的電容量，故比傳統式光電電晶體速度快百倍。ACNT-H50L/H511 適用於低速類比、隔離故障或功率控制回授等應用。

ACNT-H87B (±0.5% 增益容差)、ACNT-H87A (±1% 增益容差) 以及 ACNT-H870 (±3% 增益容差) 電壓感測器，都是專為電壓感測而設計的光學隔離放大器。其 2 V 輸入範圍以及 1 GΩ 高輸入阻抗，可滿足電子功率轉換器應用中的隔離電壓感測要求。在典型的電壓感測實作中，電阻分壓器用於擴縮 DC 鏈路電壓，使其符合電壓感測器的輸入範圍。在光學隔離屏障的另一側，則會產生與輸入電壓成比例的差動輸出電壓。

ACNT-H79B (±0.5% 增益容差)、ACNT-H79A (±1% 增益容差) 以及 ACNT-H790 (±3% 增益容差) 隔離放大器，專為電子功率轉換器應用中的電流與電壓感測而設計。在高雜訊馬達控制環境中，這些光耦合器提供準確監控馬達電流所需的精確度與穩定度，達到更順暢的控制 (更少「轉矩漣波」)，適合多種類型的馬達控制。ACNT-H79B/H79A/H790 採用三角積分 (∑-∆) 類比數位調變、截波穩定式放大器，以及全差動電路拓撲，並結合出色的光學耦合技術，不僅能提供無與倫比的隔離模式雜訊抑制能力，還具有低偏移、高增益準確度和高穩定性等特點。