【導讀】工業自動化和太陽能逆變器設備制造商正面臨著巨大的壓力，既要縮小尺寸以節約成本，同時還要滿足新安全標準有關電子隔離組件提供更大的爬電距離和間隙距離的要求，而工程師們憑借現有的隔離組件無法同時實現這兩個目標。本白皮書將分析這些行業趨勢背后的一些原因，并介紹全新的瑞薩電子 RV1S92xxA和 RV1S22xxA 產品系列。這些新產品旨在幫助工程師同時滿足這兩個挑戰性要求。這些新產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，同時滿足新安全標準的爬電距離和間隙距離要求。
引言
在機器人控制器、交流伺服系統和通用逆變器等工業自動化設備中，需要縮小設備尺寸來提高廠房利用率，但同時也要提高爬電距離來滿足更嚴格的安全標準。同樣，由于安裝位置的尺寸限制，太陽能逆變器和電池系統等綠色能源系統也需要縮小尺寸，但爬電距離不能改變。就這種情況而言，隔離器件就存在設備小型化問題。本白皮書將說明如何選擇隔離器件以縮小尺寸，重點介紹瑞薩電子 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA光電耦合器，它們采用全球最小封裝，同時擁有這些應用所要求的較長爬電距離。
設備小型化問題
高壓工業自動化設備和綠色能源系統需要使用低功耗電機控制電路并降低功率轉換損耗，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 驅動器和 IPM 驅動器用于將逆變器控制信號(PWM)從 MCU 傳送到 IGBT 等功率器件。隔離放大器和 Δ-Σ 調制器用于監視總線電壓和檢測電機電流。逆變器電路可能會有兩個 MCU。一個用于高壓模塊中電機驅動的逆變器控制，另一個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題。
設備小型化背景信息
在工業自動化設備中，需要縮小尺寸來同時滿足提高生產率和節能降耗這兩大要求。縮小尺寸旨在實現以下目標：
1) 節省空間：減少占地空間，減少廠房投資，縮短工藝作業時間，通過縮短工廠運輸時間來縮短 TAT（開發周期），通過縮短設施間的距離提高人均管理設施數量，改進相同占用空間內的設備功能（例如，增加機器人軸的數量），從而提高單位廠房面積的生產率。
2) 建立靈活的生產線：根據需求波動和改進活動輕松更改工廠布局（易于安裝、運輸和配置）
3) 環保：減少用料（外殼、電路板、導線等），降低整間工廠的空調和照明等功耗，降低各設備（卡車、船只、飛機等）的運輸能耗。
事實上，為了滿足這些要求，不僅機器人控制器、交流伺服系統和逆變器等設備尺寸在逐漸縮小，還逐漸實現了互聯設備的集成，例如伺服驅動器和電機。
而零能耗住宅(ZEH)的發展趨勢意味著未來需要安裝更多的家用太陽能逆變器，但朝北外墻或住宅內部的安裝空間有限。縮小這些組件的尺寸也會減輕運輸和建筑施工的負擔，從而降低總成本。
更嚴格的安全標準
由于電機驅動設備標準從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此需要加強絕緣的 AC200V 設備必須使用爬電距離更長的隔離器件。此外，從 UL508 改為 PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標準 UL61010-2-201，也要求提高爬電距離，并替換為適合 AC200V 加強絕緣應用的隔離器件。提高爬電距離的要求與前文提到的縮小工業自動化設備尺寸的要求相悖，兩者彼此矛盾，但必須要予以解決。
此外，功能安全標準 IEC61508 中還增加了一項最新要求，即在多通道通信中，必須驗證一個通道損壞或發生故障是否會影響其他通道。為支持這一要求，需要選擇一種能夠確保各個通道彼此獨立的隔離器件。
高溫工作
最后，由于尺寸縮小，設備內部的溫度可能會升高。因此，必須選擇一種小型耐高溫隔離器件。
小型化特性要求
未來許多逆變器和自動化設備應用要求隔離器件具備以下特性：
• 小尺寸
• 爬電距離長
• 耐高溫
瑞薩電子光電耦合器 – RV1S92xxA、RV1S22xxA
瑞薩電子的 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 是業界最小的長爬電距離光電耦合器，具有較小的引線間距，同時保持 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題，我們提供具有各種功能的產品。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 系列產品。
圖 2. 傳統封裝 LSO5 和新 LSSO5 對比
表 1：RV1S92xxA 系列
表 2：RV1S22xxA 系列
主要功能
圖 3 顯示 RV1S92xxA 和 RV1S22xxA 的橫截面結構。它們采用雙模結構，LED 和光電探測器 IC 面對面，確保絕緣距離為 150 微米。這不同于數字隔離器的片上結構，數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的情況，由于 LED 的亮度降低，光電耦合器會處于打開模式；而數字隔離器會由于氧化膜或聚酰亞胺膜破裂而處于短路模式，可能會導致觸電事故。40 多年來，許多應用都將光電耦合器用作隔離器件，有助于提高系統安全。
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使用 15Mbps RV1S9260A 和晶體管輸出 RV1S2281A，與圖 4 所示的傳統 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，通過使用 IPM 驅動器 RV1S9213A 傳送 PWM 信號，使用晶體管輸出 RV1S2281A 提供故障信號反饋，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品，因此可以根據 IPM 引腳連接來安排隔離器件的布局（光電耦合器布局）。
圖 4. LSO5/LSOP 和 LSSO5/LSSOP 的安裝面積對比
更嚴格的安全標準
由于電機驅動設備標準從 UL508C 更改為 UL61800-5-1，因此 AC200V 設備的加強絕緣要求提供 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，可以在縮小設備尺寸的同時滿足新的安全要求。
圖 5. LSSO5/LSSOP、SSOP 和 SO5 的對比
此外，考慮到從 UL508 標準改為 PLC（可編程邏輯控制器）等控制器件標準 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 加強絕緣應用的要求。LSSO5 的 RV1S92xxA和 LSSOP 的 RV1S22xxA 也支持這一要求。
由于這些是單通道產品，因此可以盡量減少該隔離部分的驗證，以滿足功能安全性 IEC61508 要求。
高溫工作
RV1S92xxA 支持業界最高的 125℃工作溫度，而 RV1S22xxA 也支持 115℃高溫工作，因此非常適合 IPM附近的配電板應用。
結論
瑞薩電子針對工業自動化設備和太陽能逆變器，推出了世界上最小的長爬電距離光電耦合器 RV1S92xxA和 RV1S22xxA，同時解決了設備小型化和滿足更嚴格安全標準的問題。
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