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东芝光隔离器件助力光伏系统更稳定、更高效、更安全

关键词:光隔离器件 光伏系统 隔离放大器

时间:2020-11-16 09:30:30      来源:东芝

随着光伏系统的复杂度和性能不断提升,越来越多的光隔离器件在系统设计中得到广泛的应用,并且凭借其出色的性能确保了系统的可靠性和高效率。作为光隔离器件的领导者,东芝半导体的多款光隔离器件在诸多工业自动化系统中得到了广泛的应用。

随着光伏系统的复杂度和性能不断提升,越来越多的光隔离器件在系统设计中得到广泛的应用,并且凭借其出色的性能确保了系统的可靠性和高效率。作为光隔离器件的领导者,东芝半导体的多款光隔离器件在诸多工业自动化系统中得到了广泛的应用。

在典型的伺服电机或光伏逆变器应用系统(如图1)中,为了实现并网储能等控制应用,需要用到多种光隔离器件,以及多个不同种类的驱动光耦和隔离放大器共同作用,可以说这些光隔离器件的选择对整个系统的性能和可靠性至关重要。作为先进的光隔离器件供应商,东芝在驱动光耦和光隔离放大器等产品方面具有明显的技术和市场优势。

图1 典型的AC伺服电机或逆变器系统结构图

谈到光耦合器,这是一个结构相对并不复杂的半导体器件,是通过发光元件将电信号转换为光,并通过光接收元件接收光,以此实现信号传递的绝缘元件。作为一种比较常见的隔离控制器件,光耦合器把发光元件和光敏元件封装于同一壳体中确保了不受外界干扰。光耦合器的主要优点是单向传输信号,输入端与输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。在复杂的工业系统中,由于光耦器件体积小,响应速度快,隔离效果好,具有较强的抗干扰能力,因此广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。

目前东芝可以提供全种类的光耦产品线,涉及范围包括消费级产品、工业、汽车以及光伏等多个应用领域。在东芝的诸多工业用光器件中,驱动光耦、隔离放大器和光继电器是应用比较广泛的产品,在工业变频器,AC伺服电机和太阳能逆变器等应用中发挥重要的作用。严格意义上后两种产品都是在光耦的基础上进行更多功能的扩展,东芝的光耦类产品在确保出色的隔离性能的同时实现了小型化封装,有助于提高系统安全性,降低功耗并缩小终端产品的尺寸。

东芝在驱动光耦技术方面特点鲜明,最显著的就是光耦产品可靠性高,寿命长,不仅高耐压且最高工作温度可达125度。实现这几个特点是源于东芝的光耦采用了业界寿命较长的LED和强大的高性能光感应芯片,并且结合了超小尺寸封装工艺,实现了小型化和高可靠性高性能的完美融合。另一方面,东芝的光耦具有非常低的工作电流,因此产品的功耗非常小,可以明显提升整个系统的能效,有效提升伺服系统的输出功耗比或太阳能光伏逆变器的转换效率。

图2 东芝半导体光耦结构及技术优势

东芝的光耦产品系列具有悠久的历史,适用于IGBT驱动的传统封装(DIP8封装)产品多年来得到广泛应用,并保持着稳定的市场高份额。2016年东芝顺应小型化的趋势,推出采用低高度SO6L封装的轨对轨输出栅极驱动光电耦合器TLP575x系列,包括用于驱动小功率IGBT的“TLP5751”和用于驱动中等功率IGBT的“TLP5752”及“TLP5754”,高度仅为前代的54%,安装面积仅为前代的43%,有助于设计者开发更纤薄小巧的装置,如用于直接驱动中低等功率IGBT及power MOSFET。该系列内置东芝独创的高功率红外LED,适用于包括需要高度热稳定性在内的多种应用,例如工厂自动化、家用光电电力系统、数字化家用电器和不间断电源(UPS)。TLP575x尽管高度较低,但依然保证了8mm的爬电距离和5kV的绝缘电压,东芝后来又推出了工作温度从110度提升到125度的高工作温度版本,满足更加极端的应用场景。在电气特性方面,TLP575x拥有轨对轨输出,在满摆幅输出状态下可通过扩大操作电压范围来实现更高的效率;提供1A、2.5A和4A三种输出电流,以满足广泛的用户需求。

除了TLP5754和高温版的TLP5754H之外,针对新一代功率器件的需求,东芝可以提供TLP577x系列,适用于MOSFET以及SiC MOSFET的驱动。针对大功率的需求,TLP5214A,TLP5231,TLP5212(2020年底即将量产)等带智能保护功能的栅极驱动光耦,满足大功率项目的实际需求。

光耦合隔离放大器作为光伏系统和伺服系统中不可缺少的信号链单元,是光耦和ΔΣ ADC的结合体,主要适用于实现电流传感器和电压传感器。为了满足工业设备所需的高精度要求,东芝特别为其光耦隔离放大器TLP7820(薄型SO8L封装)和TLP7920(DIP8封装)的输入端配备了ΔΣ ADC,从而实现了目前业内高水平的线性度——模拟输出产品的典型值为0.02%@NL200,数字输出产品的典型值为[email protected],并具有高共模瞬态抗扰度(CMTI),共模噪声抑制最小值仅为15kV/μs,即使在噪声大的电机控制应用中,它也可以稳定运行。这就使得两款产品能以较高精度检测电流和电压的微小波动,适用于逆变器、伺服放大器、机器人和电源等各类工业设备应用。

光继电器可以理解为LED和MOSFET的组合体,使用寿命长,具有高速切换以及体积小,安全可靠等特点,可以控制各种负载。东芝的光继电器主要用于储能和BMS等行业应用,如之前提到的在光伏和伺服电机相关的系统如安全转矩关断单元或电磁制动驱动单元都可能会用到光继电器。目前东芝的光继电器也已经全面从DIP4封装(TLP240A,TLP240GA)向SO6封装产品(TLP176AM,TLP172GM,TLP172GAM)过渡,实现产品的小型化便于更灵活的电路板设计,此外东芝还推出了低触发电流系列TLP170AM和TLP170GM等,满足不同应用的特殊需求。

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