工業(yè)自動(dòng)化和太陽(yáng)能逆變器設(shè)備制造商正面臨著巨大的壓力，既要縮小尺寸以節(jié)約成本，同時(shí)還要滿足新安全標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)電子隔離組件提供更大的爬電距離和間隙距離的要求，而工程師們憑借現(xiàn)有的隔離組件無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)。本白皮書(shū)將分析這些行業(yè)趨勢(shì)背后的一些原因，并介紹全新的瑞薩電子RV1S92xxA和RV1S22xxA產(chǎn)品系列。這些新產(chǎn)品旨在幫助工程師同時(shí)滿足這兩個(gè)挑戰(zhàn)性要求。這些新產(chǎn)品可以在通用逆變器電路的典型MCU到逆變器隔離接口部分，縮小35%的電路板空間，同時(shí)滿足新安全標(biāo)準(zhǔn)的爬電距離和間隙距離要求。

引言

在機(jī)器人控制器、交流伺服系統(tǒng)和通用逆變器等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，需要縮小設(shè)備尺寸來(lái)提高廠房利用率，但同時(shí)也要提高爬電距離來(lái)滿足更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。同樣，由于安裝位置的尺寸限制，太陽(yáng)能逆變器和電池系統(tǒng)等綠色能源系統(tǒng)也需要縮小尺寸，但爬電距離不能改變。就這種情況而言，隔離器件就存在設(shè)備小型化問(wèn)題。本白皮書(shū)將說(shuō)明如何選擇隔離器件以縮小尺寸，重點(diǎn)介紹瑞薩電子RV1S92xxA和RV1S22xxA光電耦合器，它們采用全球最小封裝，同時(shí)擁有這些應(yīng)用所要求的較長(zhǎng)爬電距離。

設(shè)備小型化問(wèn)題

高壓工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和綠色能源系統(tǒng)需要使用低功耗電機(jī)控制電路并降低功率轉(zhuǎn)換損耗，因此通常采用圖

1中的通用逆變器電路。

圖1.通用逆變器電路

逆變器電路中包含各種光電耦合器。IGBT驅(qū)動(dòng)器和IPM驅(qū)動(dòng)器用于將逆變器控制信號(hào)(PWM)從MCU傳送到IGBT等功率器件。隔離放大器和Delta-Sigma調(diào)制器用于監(jiān)視總線電壓和檢測(cè)電機(jī)電流。逆變器電路可能會(huì)有兩個(gè)MCU。一個(gè)用于高壓模塊中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的逆變器控制，另一個(gè)用于低壓模塊中的通信和顯示控制。通信耦合器用于MCU和I/O之間的通信。

下文描述了小型化要求的背景信息和選擇隔離器件的問(wèn)題。

設(shè)備小型化背景信息

在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，需要縮小尺寸來(lái)同時(shí)滿足提高生產(chǎn)率和節(jié)能降耗這兩大要求?？s小尺寸旨在實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1)節(jié)省空間：減少占地空間，減少?gòu)S房投資，縮短工藝作業(yè)時(shí)間，通過(guò)縮短工廠運(yùn)輸時(shí)間來(lái)縮短TAT（開(kāi)發(fā)周期），通過(guò)縮短設(shè)施間的距離提高人均管理設(shè)施數(shù)量，改進(jìn)相同占用空間內(nèi)的設(shè)備功能（例如，增加機(jī)器人軸的數(shù)量），從而提高單位廠房面積的生產(chǎn)率。

2)建立靈活的生產(chǎn)線：根據(jù)需求波動(dòng)和改進(jìn)活動(dòng)輕松更改工廠布局（易于安裝、運(yùn)輸和配置）

3)環(huán)保：減少用料（外殼、電路板、導(dǎo)線等），降低整間工廠的空調(diào)和照明等功耗，降低各設(shè)備（卡車(chē)、船只、飛機(jī)等）的運(yùn)輸能耗。

事實(shí)上，為了滿足這些要求，不僅機(jī)器人控制器、交流伺服系統(tǒng)和逆變器等設(shè)備尺寸在逐漸縮小，還逐漸實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)設(shè)備的集成，例如伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。

而零能耗住宅(ZEH)的發(fā)展趨勢(shì)意味著未來(lái)需要安裝更多的家用太陽(yáng)能逆變器，但朝北外墻或住宅內(nèi)部的安裝空間有限。縮小這些組件的尺寸也會(huì)減輕運(yùn)輸和建筑施工的負(fù)擔(dān)，從而降低總成本。

更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)從UL508C更改為UL61800-5-1，因此需要加強(qiáng)絕緣的AC200V設(shè)備必須使用爬電距離更長(zhǎng)的隔離器件。此外，從UL508改為PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標(biāo)準(zhǔn)UL61010-2-201，也要求提高爬電距離，并替換為適合AC200V加強(qiáng)絕緣應(yīng)用的隔離器件。提高爬電距離的要求與前文提到的縮小工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備尺寸的要求相悖，兩者彼此矛盾，但必須要予以解決。

此外，功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61508中還增加了一項(xiàng)最新要求，即在多通道通信中，必須驗(yàn)證一個(gè)通道損壞或發(fā)生故障是否會(huì)影響其他通道。為支持這一要求，需要選擇一種能夠確保各個(gè)通道彼此獨(dú)立的隔離器件。

高溫工作

最后，由于尺寸縮小，設(shè)備內(nèi)部的溫度可能會(huì)升高。因此，必須選擇一種小型耐高溫隔離器件。

小型化特性要求

未來(lái)許多逆變器和自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用要求隔離器件具備以下特性：

bull小尺寸

bull爬電距離長(zhǎng)

bull耐高溫

瑞薩電子光電耦合器RV1S92xxA、RV1S22xxA

瑞薩電子的RV1S92xxA和RV1S22xxA是業(yè)界最小的長(zhǎng)爬電距離光電耦合器，具有較小的引線間距，同時(shí)保持8.2毫米的爬電/間隙距離，如圖2所示。為滿足客戶需求，幫助他們解決上述問(wèn)題，我們提供具有各種功能的產(chǎn)品。表1列出了RV1S92xxA系列IC輸出耦合器，表2列出了晶體管輸出RV1S22xxA系列產(chǎn)品。

圖2.傳統(tǒng)封裝LSO5和新LSSO5對(duì)比

表1：RV1S92xxA系列

表2：RV1S22xxA系列

主要功能

圖3顯示RV1S92xxA和RV1S22xxA的橫截面結(jié)構(gòu)。它們采用雙模結(jié)構(gòu)，LED和光電探測(cè)器IC面對(duì)面，確保絕緣距離為150微米。這不同于數(shù)字隔離器的片上結(jié)構(gòu)，數(shù)字隔離器的絕緣距離通常約為10微米，并且輸入和輸出之間的距離更大。

此外，如果考慮使用壽命終止時(shí)的情況，由于LED的亮度降低，光電耦合器會(huì)處于打開(kāi)模式；而數(shù)字隔離器會(huì)由于氧化膜或聚酰亞胺膜破裂而處于短路模式，可能會(huì)導(dǎo)致觸電事故。40多年來(lái)，許多應(yīng)用都將光電耦合器用作隔離器件，有助于提高系統(tǒng)安全。

圖3.RV1S92xxA/RV1S22xxA的橫截面視圖

在上文所示的逆變器電路示例中，MCU和ASIC之間的通信接口部分通過(guò)使用15MbpsRV1S9260A和晶體管輸出RV1S2281A，與圖4所示的傳統(tǒng)8毫米爬電距離LSO5和LSOP相比，安裝面積可減小35%。此外，功率器件（智能功率模塊）也縮小了尺寸，通過(guò)使用IPM驅(qū)動(dòng)器RV1S9213A傳送PWM信號(hào)，使用晶體管輸出RV1S2281A提供故障信號(hào)反饋，可減小IPM和MCU之間的隔離面積。由于它們各自都是單通道產(chǎn)品，因此可以根據(jù)IPM引腳連接來(lái)安排隔離器件的布局（光電耦合器布局）。

圖4.LSO5/LSOP和LSSO5/LSSOP的安裝面積對(duì)比

更嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)

由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)從UL508C更改為UL61800-5-1，因此AC200V設(shè)備的加強(qiáng)絕緣要求提供5.5毫米的爬電/間隙距離。因而，不再使用爬電/間隙距離為4.2-5毫米的SSOP/SO5器件。圖5顯示用于LSSO5的RV1S92xxA和用于LSSOP的RV1S22xxA均縮短了引腳間距方向的長(zhǎng)度，可確保8.2毫米的爬電/間隙距離。如圖4所示，可以在縮小設(shè)備尺寸的同時(shí)滿足新的安全要求。

圖5.LSSO5/LSSOP、SSOP和SO5的對(duì)比

此外，考慮到從UL508標(biāo)準(zhǔn)改為PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標(biāo)準(zhǔn)UL61010-2-201，隔離器件需要更換為爬電距離為6毫米的隔離器件，以滿足AC200V加強(qiáng)絕緣應(yīng)用的要求。LSSO5的RV1S92xxA和LSSOP的RV1S22xxA也支持這一要求。

由于這些是單通道產(chǎn)品，因此可以盡量減少該隔離部分的驗(yàn)證，以滿足功能安全性IEC61508要求。

高溫工作

RV1S92xxA支持業(yè)界最高的125℃工作溫度，而RV1S22xxA也支持115℃高溫工作，因此非常適合IPM附近的配電板應(yīng)用。

結(jié)論

瑞薩電子針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和太陽(yáng)能逆變器，推出了世界上最小的長(zhǎng)爬電距離光電耦合器RV1S92xxA和RV1S22xxA，同時(shí)解決了設(shè)備小型化和滿足更嚴(yán)格安全標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。