Optical Isolation Limits in IGBT Gate Drivers: A Practical Selection Guide for Optical Transceivers

Μηχανική επιλογή οπτικών ενοτήτων και ινών για ηλεκτρονική ισχύς υψηλής τάσης

Στα ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής τάσης, ένας οδηγός πύλης IGBT δεν είναι απλώς υπεύθυνος για τη διακόπτηση ελέγχου.Διαδραματίζει επίσης κρίσιμο ρόλο στην παροχή γαλβανικής απομόνωσης μεταξύ του σταδίου ισχύος υψηλής ενέργειας και της ηλεκτρονικής ελέγχου χαμηλής τάσηςΚαθώς οι τάσεις τάσης IGBT αυξάνονται από 1,7 kV σε 3,3 kV, 4,5 kV και ακόμη και 6,5 kV, ο σχεδιασμός απομόνωσης μετατοπίζεται σταδιακά από ένα πρόβλημα επιπέδου συστατικού σε ένα πρόβλημα αρχιτεκτονικής ασφάλειας επιπέδου συστήματος.

Υπό αυτές τις συνθήκες, η οπτική απομόνωση που βασίζεται σε οπτικές ενότητες και συνδέσεις ινών έχει γίνει η κυρίαρχη λύση για την οδήγηση πύλης IGBT υψηλής τάσης.

Λειτουργικός ρόλος των οπτικών ενοτήτων στα συστήματα οδήγησης πύλης

Μια οπτική μονάδα μετατρέπει ηλεκτρικά σήματα σε οπτικά σήματα και πίσω, επιτρέποντας τον πλήρη ηλεκτρικό διαχωρισμό κατά μήκος της διαδρομής του σήματος.η οπτική απομόνωση δεν βασίζεται σε ηλεκτρομαγνητική ή ηλεκτρική σύνδεση πεδίουΗ ικανότητα απομόνωσής του καθορίζεται κυρίως από τη φυσική απόσταση και τη δομή μόνωσης, καθιστώντας την εγγενώς κλιμακώσιμη για εφαρμογές υπερυψωμένης τάσης.

Στα πρακτικά σχέδια IGBT, οι οπτικές ενότητες χρησιμοποιούνται συνήθως ως ζεύγη πομπός-αποδέκτη.μείωση του κινδύνου σφάλματος σύνδεσης κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης και συντήρησης.

Οπτικές μονάδες από πλαστικό υλικό: Αξία μηχανικής υψηλής ανοχής ζεύξης

Οι πλαστικές οπτικές ενότητες λειτουργούν γενικά στο εύρος των ορατών κόκκινων μήκων κύματος (περίπου 650 nm), χρησιμοποιώντας εκπομπείς LED σε συνδυασμό με πλαστικές οπτικές ίνες (POF).Το πιο χαρακτηριστικό οπτικό χαρακτηριστικό τους είναι ένα πολύ μεγάλο αριθμητικό άνοιγμα (NA), συνήθως γύρω στο 0.5.

Το αριθμητικό άνοιγμα περιγράφει τη μέγιστη γωνία αποδοχής της ινών και μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

Ένα NA περίπου 0,5 αντιστοιχεί σε μισή γωνία αποδοχής περίπου 30°, πράγμα που σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος του διακρινόμενου φωτός που εκπέμπεται από ένα LED μπορεί να συνδεθεί αποτελεσματικά στην ίνα.Από τεχνική άποψη, αυτό το υψηλό NA χαλαρώνει σημαντικά τις απαιτήσεις για την οπτική ευθυγράμμιση, τη συνέπεια εκπομπών και την ακρίβεια των συνδέσμων, οδηγώντας σε χαμηλότερο κόστος συστήματος και βελτιωμένη ανθεκτικότητα της συναρμολόγησης.

Ωστόσο, αυτό το πλεονέκτημα έρχεται με εγγενείς αντισταθμίσεις.που προκαλεί διεύρυνση παλμού όταν μεταδίδονται σύντομοι οπτικοί παλμοίΤο φαινόμενο αυτό της διασκορπισμού των τρόπων μεταφοράς περιορίζει θεμελιωδώς τόσο την εφικτή ταχύτητα των δεδομένων όσο και τη μέγιστη απόσταση μετάδοσης.

Ως εκ τούτου, οι πλαστικές οπτικές ενότητες χρησιμοποιούνται συνήθως για ταχύτητες δεδομένων από δεκάδες χιλιομπιτ ανά δευτερόλεπτο έως δεκάδες μεγαμπιτ ανά δευτερόλεπτο,με αποστάσεις μετάδοσης που κυμαίνονται από αρκετές δεκάδες μέτρα έως περίπου εκατό μέτραΟι πρόσφατες εξελίξεις επέτρεψαν σε ορισμένες πλαστικές οπτικές ενότητες να λειτουργούν με πλαστικές ίνες πυριτίου (PCS),επέκταση της εφικτής απόστασης σε αρκετές εκατοντάδες μέτρα, διατηρώντας ταυτόχρονα υψηλή ανοχή ζεύξης.

Οπτικές μονάδες τύπου ST για μεγάλες αποστάσεις και υψηλή αξιοπιστία

Για εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερη αξιοπιστία ή μεγαλύτερες αποστάσεις μετάδοσης, συνήθως υιοθετούνται οπτικές ενότητες τύπου ST σε συνδυασμό με γυάλινη πολυμέθοδο ίνα.Οι ενότητες αυτές λειτουργούν συνήθως γύρω στα 850 nm.Ενώ τα πρώτα σχέδια βασίζονταν κυρίως σε εκπομπείς LED, οι νεότερες γενιές χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο λέιζερ VCSEL για τη βελτίωση της συνέπειας της παραγωγής και της μακροπρόθεσμης σταθερότητας.

Σε σύγκριση με τις πλαστικές οπτικές ενότητες, οι ενότητες τύπου ST χρησιμοποιούν περισσότερες εσωτερικές δομές επικοινωνίας.Οι συγκεντρώσεις του πομπού (TOSA) και του δέκτη (ROSA) είναι συχνά ερμητικά σφραγισμένες και γεμάτες με αδρανές αέριο, παρέχοντας ανώτερη αντοχή στην υγρασία, τις δονήσεις και την περιβαλλοντική πίεση.

Όταν συνδυάζονται με πολυμέθοδο γυάλινης ινών, οι οπτικές μονάδες ST μπορούν να επιτύχουν αποστάσεις μετάδοσης της τάξης των χιλιομέτρων.εξοπλισμός μεταφοράς υψηλής τάσης, και στα συστήματα μετατροπής ισχύος μεγάλης κλίμακας, όπου οι απαιτήσεις αξιοπιστίας υπερισχύουν των δαπανών.

Τύπος ινών και επίδραση της μοδαλικής διασποράς

Οι οπτικές ίνες καθοδηγούν το φως με τη συνολική εσωτερική αντανάκλαση, η οποία επιτυγχάνεται με υψηλότερο δείκτη διάθλασης στον πυρήνα από ό,τι στην επικάλυψη.οι ίνες ταξινομούνται γενικά ως μονοτροπικές ή πολυτροπικές.

Η ενιαία ίνα με πολύ μικρή διάμετρο πυρήνα υποστηρίζει μόνο έναν τρόπο διάδοσης και επιτρέπει τη μετάδοση χωρίς στρέβλωση σε δεκάδες χιλιόμετρα, συνήθως σε 1310 nm ή 1550 nm.απαιτεί ακριβή οπτική ευθυγράμμιση και υψηλής ποιότητας πηγές λέιζερ.

Η πολυμέθοδος ίνα, με διάμετρο πυρήνα 50 μm ή 62,5 μm, υποστηρίζει πολλαπλούς τρόπους διάδοσης και είναι κατάλληλη για πηγές λέιζερ LED ή χαμηλού κόστους.Η μέγιστη χρήσιμη απόσταση του περιορίζεται από τη διασκορπία των τρόπων λειτουργίας και όχι μόνο από την οπτική ισχύ..

Στις εφαρμογές IGBT gate driver, τόσο οι πλαστικές οπτικές ενότητες όσο και οι ενότητες τύπου ST χρησιμοποιούν κυρίως πολυτρόπους ίνες λόγω της ανθεκτικότητας και της οικονομικής τους απόδοσης.

Γιατί οι οδηγοί πύλης IGBT υψηλής τάσης βασίζονται σε οπτική μόνωση

Οι κοινές ονομαστικές τάσεις IGBT περιλαμβάνουν 650 V, 1200 V, 1700 V, 2300 V, 3300 V, 4500 V και 6500 V. Για τάξεις τάσης έως περίπου 2300 V,οι μαγνητικές ή χωρητικές συσκευές απομόνωσης μπορούν να είναι ακόμη βιώσιμες όταν συνδυάζονται με κατάλληλο σχεδιασμό EMC.

Πέρα από 3300 V, ωστόσο,Οι περιορισμοί της ροπής και του διαχωρισμού των διακριτών συστατικών απομόνωσης γίνονται ένα σημαντικό όριο, ειδικά σε συστήματα όπου η μονάδα ελέγχου και ο μετατροπέας διαχωρίζονται από αρκετά μέτρα ή περισσότερο.Σε τέτοιες περιπτώσεις, η οπτική απομόνωση με τη χρήση συνδέσεων ινών παρέχει την πιο κλιμακωτή και ισχυρή λύση.

Σε εφαρμογές όπως μετατροπείς σιδηροδρομικής έλξης, ευέλικτα συστήματα HVDC και κινητήρες προώθησης πλοίων,Η οπτική απομόνωση δεν είναι πλέον μόνο μέθοδος μετάδοσης σήματος, αλλά αναπόσπαστο μέρος της έννοιας ασφάλειας του συστήματος.

Συνδετήρες οπτικών ινών: Απομόνωση που καθορίζεται από τη δομή

Σε εφαρμογές με εξαιρετικά αυστηρές απαιτήσεις μόνωσης, οι σύνδεσμοι οπτικών ινών έχουν αναδυθεί ως εξειδικευμένη λύση.Αυτές οι συσκευές ενσωματώνουν οπτικούς πομπούς και δέκτες με πλαστική ίνα σταθερού μήκους μέσα σε ένα μόνο πακέτο, επιτυγχάνοντας πολύ μεγάλες αποστάσεις έλξης και διαχωρισμού μόνο μέσω της μηχανικής δομής.

Οι συσκευές αυτές λειτουργούν συνήθως στο εύρος των ορατών μήκων κύματος χρησιμοποιώντας τεχνολογία LED και μπορούν να παρέχουν επίπεδα απομόνωσης σε δεκάδες χιλιοβόλτ.Η ικανότητα απομόνωσής τους καθορίζεται κυρίως από τη φυσική γεωμετρία και όχι από τους περιορισμούς των ημιαγωγών, τονίζοντας την μοναδική επεκτασιμότητα της οπτικής απομόνωσης.

Βασικές παραμέτρους κατά την επιλογή οπτικής μονάδας

Κατά την επιλογή των οπτικών ενοτήτων για τους οδηγούς πύλης IGBT, ο προϋπολογισμός οπτικής ισχύος σε επίπεδο συστήματος είναι απαραίτητος.

Για τα σήματα ελέγχου πύλης PWM, τα οποία λειτουργούν συνήθως κάτω από 5 kHz, οι ταχύτητες δεδομένων είναι αρκετές μόνο σε λίγα megabits ανά δευτερόλεπτο.Απαιτούνται υψηλότερες ταχύτητες δεδομένων μόνον όταν η οπτική σύνδεση χρησιμοποιείται επίσης για επικοινωνία ή διάγνωση.

Η μεταδιδόμενη οπτική ισχύςPTP_TΠΤ- Δεν ξέρω.αντιπροσωπεύει την οπτική έξοδο υπό πραγματικές συνθήκες ρεύματος κίνησης, ενώ η ευαισθησία του δέκτηPRP_RΠR- Δεν ξέρω.ορίζει την ελάχιστη οπτική ισχύ που απαιτείται για την επίτευξη ενός καθορισμένου ποσοστού σφάλματος bit. Το διαθέσιμο περιθώριο μεταξύ αυτών των τιμών καθορίζει την επιτρεπόμενη απόσταση μετάδοσης.

Ένα κοινά χρησιμοποιούμενο μηχανικό μοντέλο για την εκτίμηση της μέγιστης απόστασης μετάδοσης είναι η εξίσωση του προϋπολογισμού οπτικής ισχύος:

Στα 850 nm, οι τυπικές τεχνικές τιμές για την εξασθένιση της πολυμέτωπης ινώδους είναι περίπου 3 ∆/km για ίνες 50/125 μm και 2,7 ∆/km για ίνες 62,5/125 μm.

Παράδειγμα: Εκτίμηση απόστασης με βάση το ρεύμα κίνησης

Θεωρήστε μια οπτική μονάδα πομπού με τυπική ισχύ εξόδου -14 dBm σε ρεύμα κίνησης 60 mA. Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό της κανονικοποιημένης οπτικής ισχύος έναντι του προωθημένου ρεύματος,λειτουργία του πομπού σε 30 mA αποδίδει περίπου 50% της ονομαστικής ισχύος, που αντιστοιχεί σε μείωση κατά −3 dB, ή −17 dBm.

Εάν η ευαισθησία του δέκτη είναι −35 dBm, το περιθώριο του συστήματος ορίζεται σε 2 dB και χρησιμοποιείται πολυμέθοδος ίνα 62,5/125 μm με εξασθένιση 2,8 dB/km,η μέγιστη απόσταση μετάδοσης μπορεί να εκτιμηθεί ως:

This example illustrates that even with reduced drive current—often chosen to improve lifetime and thermal performance—sufficient transmission distance can still be achieved when optical power budgeting is properly applied.

Πρακτικοί παράγοντες που Συχνά Παραμελούνται στο Πεδίο

Στις εφαρμογές του πραγματικού κόσμου, η αστάθεια του οπτικού συνδέσμου συχνά δεν προκαλείται από εσφαλμένη επιλογή παραμέτρων, αλλά από παραμελημένες λεπτομέρειες διαδικασίας και εγκατάστασης.

Οι οπτικές διεπαφές είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στην μόλυνση.Επομένως, είναι απαραίτητο να διατηρούνται τα προστατευτικά καλύμματα σκόνης μέχρι την τελική εγκατάσταση και να χρησιμοποιούνται κατάλληλες μέθοδοι αδρανούς καθαρισμού..

Η κάμψη των ινών είναι ένας άλλος συνήθως υποτιμώμενος μηχανισμός απώλειας.Γενικά, η ελάχιστη ακτίνα κάμψης δεν πρέπει να είναι μικρότερη από δέκα φορές την εξωτερική διάμετρο του καλωδίου ινών και η οπτική ισχύς πρέπει να επαληθεύεται υπό τελικές συνθήκες εγκατάστασης.

Συμπεράσματα

Σε συστήματα IGBT υψηλής τάσης, οι οπτικές ενότητες και οι ίνες δεν είναι απλώς στοιχεία σήματος· καθορίζουν το επιτεύξιμο επίπεδο απομόνωσης, την αξιοπιστία του συστήματος,και μακροπρόθεσμη λειτουργική σταθερότηταΟι πλαστικές οπτικές μονάδες, οι μονάδες τύπου ST και οι σύνδεσμοι οπτικών ινών κατέχουν καθένα ξεχωριστά πεδία εφαρμογής που ορίζονται από την τάση τάσης, την απόσταση και τις απαιτήσεις αξιοπιστίας.

Μια σταθερή κατανόηση της οπτικής φυσικής, προσεκτικός προϋπολογισμός οπτικής ισχύος,Η χρήση της οπτικής μόνωσης σε ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ισχύος είναι απαραίτητη για την πλήρη αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων της οπτικής μόνωσης σε ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής ισχύος..