Wzrost bezpieczeństwa i niezawodności zastosowań przemysłowych wysokiego napięcia dzięki izolatorom galwanicznym

Wiele systemów automatyki przemysłowej, szczególnie w zakładach produkcyjnych, musi być połączonych z urządzeniami wykorzystującymi wysokie napięcia w zakresach od setek do tysięcy woltów. Izolatory na bazie półprzewodników są powszechnie stosowane do odseparowania takich wysokich napięć od znacznie niższych napięć 5V logiki cyfrowej, wykorzystywanych w większości układów sterowania. Często stosowane są do tego celu na przykład jednoblokowe optoizolatory dwustrukturowe ze względu na ich wysoką odporność na przejściowe wysokie napięcia i pola magnetyczne otoczenia. Jednak projektanci potrzebują technologii, która zachowuje stabilność z upływem czasu i przy ekstremalnych temperaturach, oraz która jest mniej skomplikowana z punktu widzenia produkcji.

W tym artykule wyjaśniono, dlaczego i jak warto stosować jednoblokowe izolatory galwaniczne w celu bezpiecznej izolacji wysokiego napięcia stosowanego w nowoczesnych systemach przemysłowych, medycznych i pojazdach elektrycznych (EV) oraz jak to robić. Następnie omówimy dwa krzemowe izolatory galwaniczne firmy Texas Instruments, które stosuje się w systemach wysokiego napięcia o wysokiej niezawodności i powiemy, jak prawidłowo je rozmieścić na płytce drukowanej, aby bezpiecznie odizolować wysokie napięcia od logiki cyfrowej stosowanej w programowalnych sterownikach logicznych (PLC) i interfejsach maszyna-człowiek.

Po co izolować wysokie i niskie napięcia?

Wiele systemów przemysłowych kontroluje się za pomocą sterowników PLC, komputerów lub interfejsów człowiek-maszyna (HMI). Takie systemy sterowania działają przy użyciu standardowych napięć układów sterujących o wartości 5 woltów lub mniejszych. Podczas łączenia tych systemów w celu zarządzania wysokimi napięciami wynoszącymi 120 woltów lub więcej, ważne jest fizyczne oddzielenie i elektryczne odizolowanie niskiego napięcia cyfrowego od urządzeń wysokiego napięcia. Przetwornice mocy, przetwornice prądu stałego oraz pojazdy elektryczne (EV) również wymagają starannej izolacji napięcia sterującego od potencjalnie wielu tysięcy woltów używanych w układzie.

Można by do tego wykorzystać tranzystory mocy, ale nie zagwarantują one wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Tranzystory w takich zastosowaniach zawierają sterowanie cyfrowe i sterowanie wysokim napięciem na tej samej warstwie półprzewodnikowej. Wadliwe działanie lub fizyczne uszkodzenie tranzystora mocy może szybko spowodować, że do cyfrowej logiki dostanie się prąd o napięciu tysięcy woltów. Oprócz zniszczenia urządzeń sterujących stanowi to również zagrożenie dla użytkownika.

Od dawna izolacja optyczna była preferowaną metodą fizycznego oddzielania i izolacji elektrycznej systemów niskiego i wysokiego napięcia. Typowy jednoblokowy optoizolator dwustrukturowy zawiera na jednej strukturze diodę LED emitującą światło - zwykle w podczerwieni - przez przezroczystą barierę izolacyjną do fotodiody na drugiej strukturze. Fotodioda konwertuje je na sygnał niskiego napięcia służący do sterowania obwodem wysokiego napięcia.

Aby optoizolator mógł bezpiecznie sterować napięciem tysięcy woltów, zarówno struktura z diodą LED, jak i struktura z fotodiodą są zamknięte w przezroczystej barierze izolacyjnej wykonanej z materiału zdolnego wytrzymać napięcie znamionowe optoizolatora.

Optoizolatory są odporne na przejściowe zakłócenia elektroniczne i są całkowicie odporne na pola magnetyczne otoczenia, co sprawia, że są najlepszym wyborem do zastosowań w sterowaniu silnikami wysokonapięciowymi. Optoizolatory do zastosowań przemysłowych mogą wytrzymać bardzo wysokie napięcia udarowe wynoszące 10 tysięcy woltów lub więcej.

Jednak optoizolatory nie działają dobrze w bardzo wysokich temperaturach. Ponadto właściwości diod LED w optoizolatorach pogarszają się z upływem czasu. Optoizolatory są także urządzeniami dwustrukturowymi, co jest bardziej złożonym procesem produkcyjnym w porównaniu do półprzewodników jednostrukturowych.

Odizolowanie galwaniczne

W zastosowaniach, w których prawdopodobne są ekstremalne temperatury i gdzie priorytetem jest długi okres użytkowania, można zastosować jednoblokowe izolatory galwaniczne. Podczas gdy izolacja optyczna oddziela dwa obwody za pomocą diody LED i fotodiody, izolacja galwaniczna elektrycznie oddziela dwa obwody za pomocą komponentów sprzężonych ładunkiem za pomocą kondensatora lub cewki indukcyjnej z dwutlenku krzemu (SiO₂). Skuteczność izolacji wynika z właściwości SiO₂ jako dielektryka.

Izolatory galwaniczne są szybkimi urządzeniami o długiej żywotności, które można łatwo podłączyć do większości mikrokontrolerów. Ostatnio wprowadzone modele zostały zaprojektowane, aby wytrzymać nawet 6000 woltów, działać w temperaturach nawet 150°C i zapewniać żywotność ponad 35 lat. Zwiększa to bezpieczeństwo i niezawodność całego systemu, jednocześnie obniżając koszty konserwacji.

Na przykład sześciokanałowy izolator cyfrowy ogólnego zastosowania ISO7762FDWR firmy Texas Instruments może wytrzymać nawet 5000 woltów RMS (V_RMS) i przepięcia udarowe do 12800 woltów (ilustracja 1). Układ ISO7762 jest dostępny w dwóch opcjach: ISO7762F ma domyślnie styki wyjściowe OUT[A:F] ze stanem niskim, natomiast w modelu bez sufiksu F domyślna logika wyjściowa jest ze stanem wysokim.

Ilustracja 1: ISO7762F firmy Texas Instruments to sześciokanałowy izolator galwaniczny z czterema kanałami działającymi w kierunku do przodu i dwoma kanałami zwrotnymi. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

ISO7762F posiada dwie strefy zasilania, jedną po lewej i jedną po prawej stronie, oddzielone elektrycznie i fizycznie za pomocą warstwy izolacyjnej z SiO₂. Każda strefa zasilania ma własne niezależne styki zasilania i uziemienia.

Urządzenie ma cztery kanały działające w kierunku do przodu i dwa kanały zwrotne. Dwa kanały zwrotne (wejścia E i F) pozwalają na przesyłanie informacji z układu wysokiego napięcia do cyfrowego układu sterowania, zachowując jednocześnie bezpieczną izolację. Dane przesyłane w obu kierunkach mogą być prostymi cyfrowymi danymi włączania/wyłączania lub danymi szeregowymi za pomocą UART lub dwuprzewodowego interfejsu I²C.

Dla każdego kanału ISO7762F wykorzystuje dwa kondensatory SiO₂ połączone szeregowo, aby oddzielić dwie strefy napięcia. Dane cyfrowe są przesyłane za pomocą modulacji OOK, w której logiczne 1 na dowolnym wejściu IN[A:F] jest reprezentowane przez sygnał prądu przemiennego na kondensatorze do drugiej strefy zasilania, a logiczne 0 jest reprezentowane przez napięcie 0V. Dane na odpowiednim wyjściu OUT [A:F] odzwierciedlają stan logiczny wtyku wejściowego. Dielektryk SiO₂ w kondensatorach oddziela dwie strefy zasilania, aby bezpiecznie odizolować elektronikę sterującą wysokim napięciem od cyfrowego układu sterowania.

Projektanci ISO7762F skupili się na wysokiej wytrzymałości izolacji dla maksymalnego bezpieczeństwa. Znamionowa rezystancja izolacji w 25°C wynosi ponad 1 tera-om (TΩ). Rezystancja izolacji układu ISO7762F w 150°C wynosi ponad 1 giga-om (GΩ). Innymi słowy, rezystancja ta jest wyższa niż rezystancja powietrza otaczającego układ ISO7762F.

Trwałość układu ISO7762F została oceniona przez firmę Texas Instruments na co najmniej 37 lat, ale galwaniczna warstwa izolacyjna ma trwałość ponad 135 lat. Chociaż zwykle nie trzeba gwarantować tak długiego okresu funkcjonowania sprzętu, liczby te wskazują na niezawodność i trwałość urządzenia.

Do jeszcze wyższych napięć przeznaczony jest model ISO7821LLSDWWR firmy Texas Instruments - dwukanałowy różnicowy izolator o wytrzymałości 5700V_RMS o odporności na udarowe napięcia izolacyjne nawet 12800V (ilustracja 2). W tym urządzeniu dwa kanały działają w przeciwnych kierunkach. Każdy kanał jest nadajnikiem pary różnicowej stosowanym do transmisji danych niskonapięciowego sygnału różnicowego (LVDS) z prędkością do 150 megabitów na sekundę (Mbps).

Ilustracja 2: izolator cyfrowy ISO7821LLS firmy Texas Instruments ma dwa kanały różnicowe działające w przeciwnych kierunkach. Każdy bufor wyjściowy ma funkcję włączania wyjścia, która może przełączyć wyjście w (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Dwutlenek krzemu (SiO₂) zastosowany do izolacji galwanicznej w modelu ISO7821LLS jest taki sam jak w modelu ISO7762F, z tym wyjątkiem, że zamiast dwóch kondensatorów połączonych szeregowo dla każdego kanału, model ISO7821LLS wykorzystuje jeden kondensator dla każdego kanału. Wykorzystuje również tę samą modulację OOK do przesyłania danych cyfrowych przez kondensatory SiO₂.

Izolator galwaniczny ISO7821LLS może przesyłać dane LVDS przez kable klasy przemysłowej, jak na przykład wytrzymały, podwójny kabel skręcany Belden 88723-002500. Jest to wysokiej jakości kabel przemysłowy, zawierający dwie skręcone pary przewodów 22AWG w czerwonym płaszczu. Jest on przeznaczony do użytku wewnątrz lub na zewnątrz budynków i może być też zakopany pod ziemią. Kabel ten wytrzymuje ekstremalne temperatury robocze od -70°C do 200°C, dzięki czemu jest odpowiedni do wymagających zastosowań przemysłowych zasilania o wysokim napięciu, takich jak falowniki fotowoltaiczne pracujące w bardzo gorącym lub bardzo zimnym środowisku. Za pomocą kabla Belden jednostka sterująca może przesyłać dane sterujące LVDS w obu kierunkach do układu ISO7821LLS znajdującego się wewnątrz skrzynki falownika. Jakikolwiek skok wysokiego napięcia spowodowany wadliwym działaniem w skrzynce konwertera zostałby zatrzymany na izolatorze, chroniąc jednostkę sterującą niskiego napięcia i ludzi znajdujących się w pobliżu jednostki.

Dwa wyjścia w modelu ISO7821LLS firmy Texas Instruments mają niezależne wtyki aktywujące, które mogą dezaktywować odpowiednie wyjścia, przestawiając je w stan wysokiej impedancji. Jest to praktyczne rozwiązanie, jeśli urządzenie znajduje się na szynie LVDS z więcej niż jednym sterownikiem i musi zwolnić magistralę innemu sterownikowi magistrali. Ma to zastosowanie w środowiskach przemysłowych, w których urządzenia wysokiego napięcia muszą być obsługiwane przez więcej niż jedną jednostkę sterującą w różnych lokalizacjach.

Aby pomóc projektantom w ewaluacji układu ISO7821LLS, firma Texas Instruments przygotowała płytkę ewaluacyjną ISO7821LLSEVM (ilustracja 3). Rozwiązanie to wymaga niewielu zewnętrznych komponentów i może być wykorzystane do oceny zachowania i wydajności ISO7821LLS oraz umożliwia monitorowanie komunikacji magistrali LVDS do celów testowych i porównawczych.

Ilustracja 3: płytka ewaluacyjna ISO7821LLSEVM firmy Texas Instruments może być wykorzystana do testowania i oceny wydajności transmisji danych LVDS w dwukanałowym izolatorze różnicowym ISO7821LLS. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Ponieważ każde zastosowanie w warunkach wysokiego napięcia jest inne, układ ISO7821LLSEVM nie jest przeznaczony do testowania jakości izolacji ISO7821LLS pod wysokim napięciem.

Układ izolatora galwanicznego

Układ izolatora galwanicznego wysokiego napięcia musi być wykonany bardzo ostrożnie, aby zapewnić skuteczną izolację. W przypadku projektowania płytki drukowanej o niskich zakłóceniach elektromagnetycznych (EMI) obowiązują standardowe zasady układu, które obejmują stosowanie płytki drukowanej złożonej z co najmniej czterech warstw z szybkimi liniami na górze, z litą płaszczyzną uziemienia poniżej i płaszczyzną zasilania jeszcze niżej. Wolniejsze sygnały sterujące powinny znajdować się na płaszczyźnie dolnej.

Bardzo ważne jest, aby elementy niskiego i wysokiego napięcia były fizycznie oddzielone na płytce drukowanej. W tym celu omówione tutaj izolatory mają osobne strefy zasilania dla lewej i prawej strony urządzenia. Ponadto linie jednej strefy nie mogą przebiegać w pobliżu linii drugiej strefy, aby zapobiec zakłóceniom sygnału.

Jeśli izolator znajduje się w sekcji wysokiego napięcia, bezpieczniejsze może być umieszczenie izolatora stroną niskonapięciową skierowaną w stronę krawędzi płytki drukowanej. Pomaga to zapobiegać przeskakiwaniu jakichkolwiek wysokich napięć na stronę niskiego napięcia, co mogłoby poważnie uszkodzić elektronikę niskiego napięcia po drugiej stronie izolatora.

Podsumowanie

Urządzenia przemysłowe wykorzystujące napięcie wielu tysięcy woltów wymagają komponentów, które mogą bezpiecznie odizolować te wysokie napięcia od cyfrowej logiki sterowania o napięciu 5 woltów lub niższym, celem ochrony sprzętu i jego użytkowników. Charakter sprzętu przemysłowego wymaga, aby taka izolacja zachowała stabilność i niezawodność w ekstremalnych temperaturach przez długi okres czasu.

Jak wykazano powyżej, izolatory cyfrowe oparte na izolacji galwanicznej cechują się właściwościami izolacji i specyfikacją temperatury pracy odpowiednimi dla takich zastosowań. Przy odpowiedniej dbałości o układ i konfigurację mogą zapobiec uszkodzeniom lub wystąpieniu obrażeń.