基於博通ACNT-H343光電耦合器的高壓電路設計

Broadcom 的 ACNT 光電耦合器系列產品為高壓隔離應用提供 15 mm 爬電距離和 14.2 mm 電氣間隙。這些光電耦合器採用緊湊型拉伸式表面貼裝 SO-8 封裝，提供 2,262 VPEAK 工作絕緣電壓和 12,000 VPEAK 瞬態過電壓。ACNT 光電耦合器產品類型全面，以滿足不同的電氣隔離要求和功能。其中包括：ACNT-H343 柵極驅動光耦、ACNT-H61L 低功耗 10 MBd 數字光耦、ACNT-H790/H79A/H79B 高線性度隔離放大器（用於電流檢測）、ACNT-H870/H87A/H87B 電壓傳感器和 ACNT-H50L/H511 低速模擬量光耦。圖 1 所示為三相逆變器將直流轉換為交流並驅動負載（電機），突出顯示了各種 ACNT 光電耦合器產品類型的不同隔離位置和用途。ACNT 光電耦合器可靠且易於使用。

高壓趨勢及要求

在可再生能源（太陽能或風能）、牽引和醫療保健系統的細分市場中，對較高直流總線電壓或高瞬態電壓抗擾度的要求已發展為一種趨勢。新型太陽能/光伏 (PV) 系統已經採用 1500 VDC，取代此前的 1000 VDC。這項升級可提高能效，降低成本。

促成這兩項優勢的原因之一在於，每個串列可包含更多光伏塊（光伏串列更長）。而匯流箱將輸入功率匯集成總輸入。光伏串列更長、數量更少，所需的匯流箱就相應減少。直流輸入電壓較高也會降低線路（銅）功率損耗。總體上，與 1000 V 或較低的直流電壓系統相比，1500 V 系統中光伏串列與逆變器之間的連接較少。同時，功率密度較高、設備更少也降低了人工維護成本。電氣安全及各種組件認證標準是 1500 V 系統面臨的一大挑戰。控制模塊與電源產品之間的隔離必須能夠承受高壓（穩態和瞬態），並符合相關的爬電距離要求（圖 2）。Broadcom 的 15 mm 寬 ACNT 光電耦合器就能滿足這些要求。

對於可再生能源領域的風能解決方案，由於作為國家級配電網更新計劃的一部分，用可再生資源取代核電廠，ACNT 光電耦合器在歐洲國家深受青睞。

圖 3 顯示了使用 15 mm 寬 ACNT-H61L 10 MBd 低功耗光耦的變頻器隔離。這些組件隔離了低壓控制與高壓 IGBT 之間的控制和故障反饋信號。在另一個電網子領域中，作為採用智能電網的一部分，低壓或中壓配電線路的計量日趨先進。為了實現數據通信的安全和高壓隔離，三相線路（>400 VAC 計量）需要更大的爬電距離。在智能電網中，安全性也相當重要。低速模擬量光耦 ACNT-H50L 的長期可靠性有助於確保隔離式數據通信。

另一個高壓應用實例是輕軌或單軌系統的牽引力控制。在這些系統中，ACNT 光電耦合器用於 1500 V 的 DC-DC 轉換。圖 4 顯示了具有 1500 VDC 總線電壓的單軌系統功率轉換器。高-低壓控制接口隔離採用四個數字光耦，電壓電平控制隔離採用兩個電壓檢測隔離放大器，I/O 通信隔離採用低速模擬量光耦，為高噪聲環境提供可靠而穩健的高壓隔離解決方案。

在醫療系統中，第 4 版醫療標準 IEC 60601-1-2 針對接觸放電和空氣放電規定了較高的 ESD 等級。該 ESD 抗擾度測試的適用類型，從患者與設備直接接觸的檢測電路（例如血壓、ECG）到患者監護設備的控制板。ACNT-H61L 符合此修訂要求，瞬態過電壓為 12,000 VAC。由於爬電距離和電氣間隙較大，該器件允許更大的隔離間隙，並能最大限度地減少電弧。

監管標準修訂

隨著 UL 和 IEC 標準的協調一致，對爬電距離和電氣間隙的更嚴格要求應運而生。從 2016 年起，UL 508C 標準（功率轉換設備）過渡到 IEC 61800-5-1 標準（可調速電力驅動系統）。新的驅動器型號要求較大的爬電距離和電氣間隙，以此才能保持相同的額定值規格。例如，對於 690 VAC 額定值的強化絕緣，要求爬電距離和電氣間隙至少為 13.8 mm。

在醫療系統 ESD 抗擾度測試中，由於隔離式安全柵的保護，需要較高的放電瞬態過電壓。在解決這一問題上，ACNT 光電耦合器頗具優勢。在患者監護應用中，ESD 抗擾度測試的適用類型，從患者與設備直接接觸的檢測電路（例如血壓、ECG）到患者監護設備的控制板。如今，越來越多的醫療設備在醫院外使用，為了解決電磁幹擾 (EMI) 威脅，最新的第四版醫療電氣設備標準 IEC 60601-1-2 提高了醫療設備 ESD 抗擾度測試的放電水平（圖 5）。針對患者監護設備，ACNT-H61L 的優勢在於額定瞬態過電壓高達 12,000 VPEAK、爬電距離和電氣間隙達 15 mm，因而允許更大的隔離間隙，並能最大限度地減少電弧。

Broadcom 的 ACNT 光電耦合器

Broadcom 光電耦合器性能出色，可承受高壓浪湧（1.2 s / 50 s 電壓波形）。按照 IEC 60747-5-5 組件安全標準，Broadcom 的 ACNT 光電耦合器可通過 25 kV 以上等級。通過標準是局部放電小於 5 pC 時，固體絕緣不能出現完全擊穿或局部擊穿。如圖 6 所示，ACNT-H50L 在非空氣條件下進行測試，以消除高壓浪湧所產生的電弧（參考 TUV 測試結果報告）。

總結

ACNT-H343 是一款最新發布的 5 A 柵極驅動光耦，採用 15 mm SSO-8 封裝，專為空間受限的高壓工業應用設計，例如 690 VAC 電機驅動器和 1500 V 太陽能逆變器。ACNT-H343 的共模瞬變抗擾度 (CMTI) 超過 100 kV/μs，在嘈雜環境應用中可防止柵極驅動器故障誤報。該器件最大限度地減少傳播延遲，速度是上一代器件的三倍，因此可實現高頻切換，提高 IGBT（絕緣柵雙極電晶體）和 SiC/GaN MOSFET 的驅動效率。

ACNT-H61L 是一款 10 MBd 低功耗數字光耦，LED 最小驅動電流只需 4.5 mA，在工作溫度範圍內，檢測器 IC 的最大 IDD 為 2 mA。檢測器 IC 的輸出為 CMOS 輸出。內部法拉第屏蔽板可保證共-模瞬態抗擾度達到 20 kV/ s。ACNT-H61L 適用於高壓或瞬態功率轉換系統的隔離式邏輯接口通信和控制。

ACNT-H50L/H511 是一款單通道 1 MBd 光電耦合器，具有開路集電極電晶體輸出。光電二極體偏置與輸出電晶體集電極的單獨連接，減小了基極-集電極電容，大大提高了速度，可達到傳統光電電晶體的百倍。ACNT-H50L/H511 適用於低速模擬量、故障或功率控制反饋隔離等應用。

ACNT-H87B（±0.5% 增益容差）、ACNT-H87A（±1% 增益容差）和 ACNT-H870（±3% 增益容差）電壓傳感器，均是專為電壓檢測設計的光電隔離放大器。輸入範圍 2 V，輸入阻抗高達 1 GΩ，滿足電子功率轉換器應用對隔離電壓檢測的要求。在典型電壓檢測應用中，使用電阻分壓器來縮放直流鏈路電壓，以適應電壓傳感器的輸入範圍。光電隔離式安全柵另一側的差分輸出電壓與輸入電壓成比例。

ACNT-H79B（±0.5% 增益容差）、ACNT-H79A（±1% 增益容差）和 ACNT-H790（±3% 增益容差）隔離放大器，專為電子功率轉換器應用的電流和電壓檢測而設計。在高噪聲電機控制環境中，這些光電耦合器可提供精確監控電機電流所需的精度和穩定性，為各類電機控制提供較平穩的控制（減少「轉矩波動」）。結合卓越的光電耦合技術，ACNT-H79B/H79A/H790 採用三角積分 (∑- ) 模數轉換調製器、斬波穩定放大器和全差分電路拓撲結構，可提供性能卓群的隔離模式噪聲抑制、低偏移、高增益精度和穩定性。