전기 아이솔레이터로 고전압 산업 응용 분야에서의 안전 및 신뢰성 향상

많은 산업 자동화 시스템 특히, 제조 시설에서 사용되는 경우 수백 볼트에서 수천 볼트 사이의 고전압을 사용하는 장비에 연결해야 합니다. 반도체 기반 아이솔레이터는 일반적으로 이러한 고전압을 제어 시스템 대부분에서 사용되는 훨씬 낮은 5V 디지털 논리 전압과 분리하는 데 사용됩니다. 예를 들어 단일 패키지 이중 다이 광 아이솔레이터는 높은 과도 전압에 대한 높은 저항과 주변 자기장에 대한 내성으로 인해 이 용도로 널리 사용되고 있습니다. 하지만 설계자는 시간이 지나도록 그리고 극한 온도에서 안정성이 뛰어나고, 덜 복잡한 제조 기술이 필요합니다.

이 기사에서는 현대 산업, 의료 및 전기 자동차(EV) 시스템에 사용되는 고전압을 안전하게 분리하기 위해 단일 패키지 전기 아이솔레이터를 사용하는 이유와 방법을 설명합니다. 그런 다음 고전압의 높은 신뢰성 시스템을 대상으로 하는 Texas Instruments의 두 실리콘 기반 전기 아이솔레이터를 살펴보고, 이 두 아이솔레이터를 PC 기판에 적절히 레이아웃하여 고전압을 프로그래밍 가능한 논리 컨트롤러(PLC) 및 휴먼 인터페이스에 사용되는 디지털 논리와 안전하게 분리하는 방법을 논의합니다.

고전압과 저전압을 분리하는 이유?

많은 산업용 시스템은 PLC, 컴퓨터 또는 인간 기계 간 인터페이스(HMI)를 사용하여 제어됩니다. 이러한 제어 시스템은 5V 이하의 표준 디지털 제어 전압을 사용하여 작동합니다. 120V 이상의 고전압을 관리하기 위해 이러한 시스템을 연결할 경우 낮은 디지털 전압과 고전압 장비를 물리적, 전기적으로 분리해야 합니다. 또한 전력 컨버터, DC-DC 컨버터 및 전기 자동차(EV)에서는 디지털 제어 전압을 시스템에 사용되는 수천 볼트의 고전압과 신중하게 분리해야 합니다.

전력 트랜지스터는 이러한 응용 분야를 쉽게 처리할 수 있지만, 안전하지 않습니다. 이러한 응용 분야의 트랜지스터는 동일한 반도체 기판에 디지털 고전압 제어가 있습니다. 전력 트랜지스터가 오작동하거나 물리적으로 손상될 경우 수천 볼트의 전압이 디지털 논리에 빠르게 주입될 수 있습니다. 그러면 제어 장비가 파손될 뿐 아니라 사용자도 위험해집니다.

광학적 분리는 역사적으로 저전압 시스템과 고전압 시스템을 물리적, 전기적으로 분리하는 데 선호되는 방법입니다. 일반적인 단일 패키지 2 다이 광 아이솔레이터의 첫 번째 다이에는 발산된 빛(일반적으로 적외선)을 투명 분리 장벽을 통과하여 두 번째 다이의 광 다이오드 수용체까지 비추는 LED가 포함되어 있습니다. 광 다이오드는 이 빛을 고전압 회로망을 제어하는 데 사용되는 저전압 신호로 변환합니다.

광 아이솔레이터에서 수천 볼트의 전압을 안전하게 제어할 수 있도록 LED 다이와 광 다이오드 다이는 모두 광 아이솔레이터의 정격 전압을 견딜 수 있는 소재로 된 투명 분리 장벽에 둘러싸여 있습니다.

광 아이솔레이터는 과도 전자 잡음에 강하고 주위 자기장에 완벽한 내성을 가지므로 고전압 모터 제어기 응용 분야에 가장 적합합니다. 고강도 응용 분야를 위한 광 아이솔레이터는 10,000V 이상의 매우 높은 서지 전압을 견딜 수 있습니다.

하지만 광 아이솔레이터는 초고온 조건에서 올바르게 작동하지 않습니다. 또한 광 아이솔레이터의 LED는 시간에 따라 성능이 저하됩니다. 광 아이솔레이터는 2 다이 장치이므로, 제조 공정이 단일 다이 반도체에 비해 더 복잡합니다.

전기적 분리

수명이 가장 중요한 극한 온도의 응용 분야에서는 단일 패키지 전기 아이솔레이터를 사용할 수 있습니다. 여기서 광학적 분리에서는 LED와 광 다이오드를 사용하여 회로를 분리하고, 전기적 분리에서는 이산화규소(SiO₂) 기반 커패시터 또는 인덕터를 사용하여 전하 결합 부품으로 두 회로를 전기적으로 분리합니다. 분리의 효율성은 SiO₂ 유전체의 함수입니다.

전기 아이솔레이터는 대부분의 마이크로 컨트롤러에 쉽게 연결되는 수명이 긴 고속 소자입니다. 최근에 소개된 사례에서는 테스트를 거쳐 최대 6,000V를 견디고, 최고 150°C의 온도에서 작동하고, 35년 이상 지속되는 것으로 확인되었습니다. 이는 유지 보수 비용을 절감하면서 전체 시스템의 안전과 신뢰성을 개선합니다.

예를 들어 Texas Instruments의 ISO7762FDWR 6채널 범용 디지털 아이솔레이터는 최대 5,000V RMS(V_RMS)를 견딜 수 있고 절연 서지 전압은 12,800V입니다(그림 1). ISO7762는 두 가지 옵션으로 제공됩니다. 즉, ISO7762F는 출력 핀 OUT[A:F]의 기본 출력 논리가 낮고, F 접미사가 없는 경우 기본 출력 논리 상태가 높은 논리입니다.

그림 1: Texas Instruments ISO7762F는 순방향 채널 4개와 역방향 채널 2개를 포함하는 6채널 전기 아이솔레이터입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ISO7762F에는 SiO₂ 절연층에 의해 전기적, 물리적으로 분리되는 전력 영역이 좌우에 하나씩 두 개 있습니다. 각 전력 영역에는 각각 독립된 전력 핀과 접지 핀이 있습니다.

이 장치에는 순방향 채널 4개와 역방향 채널 2개가 있습니다. 두 역방향 채널(입력 E 및 F)에서는 두 전력 영역을 안전하게 분리하면서 고전압 시스템의 정보를 디지털 제어 시스템으로 전송할 수 있습니다. 어느 방향이든 전송되는 데이터는 단순한 디지털 온/오프 데이터이거나 UART 또는 2선식 I²C를 사용하는 직렬 데이터입니다.

각 채널에서 ISO7762F는 두 SiO₂ 커패시터를 직렬로 사용하여 두 전압 영역을 분리합니다. 디지털 데이터는 온/오프 키(OOK) 변조를 사용하여 전송됩니다. 여기서 입력 IN[A:F]의 논리 1은 커패시터를 통과하여 다른 전력 영역까지 AC 신호로 표시되고, 논리 0은 0V로 표시됩니다. 해당 OUT[A:F] 데이터는 입력 핀의 논리 상태를 반영합니다. 커패시터의 SiO₂ 유전체는 두 전력 영역을 분리하여 고전압 제어 전자기기를 디지털 제어 시스템과 안전하게 분리합니다.

ISO7762F 설계자는 최대 안전을 위해 높은 절연 저항을 강조합니다. 25°C에서 절연 저항은 정격 1TΩ 이상입니다. 150°C에서 ISO7762F 절연 저항은 1GΩ 이상입니다. 이러한 사실을 고려할 때 이 저항은 ISO7762F의 주변 공기 저항보다 높습니다.

Texas Instruments에서 평가하는 ISO7762F의 정격 수명은 최소 37년이지만, 전기적 분리 절연층의 정격 수명은 135년 이상입니다. 이 기간 동안 장비의 작동을 보증할 필요는 없지만 이 수치는 장치의 신뢰성과 내구성을 나타냅니다.

내성 전압이 더 높은 경우 Texas Instruments ISO7821LLSDWWR은 5700V_RMS에서 절연 서지 전압이 12,800V인 이중 채널 차동 분리 버퍼입니다(그림 2). 두 채널은 각각 반대 방향으로 진행합니다. 각 채널은 최대 150Mbps 속도의 저전압 차동 신호(LVDS) 데이터 통신에 사용되는 차동 회로 송신기입니다.

그림 2: Texas Instruments ISO7821LLS 디지털 아이솔레이터에는 방향이 반대인 두 차동 채널이 있습니다. 각 출력 버퍼에서는 출력을 활성화하며, 출력을 고임피던스 상태로 비활성화할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ISO7762F에서는 각 채널에 두 커패시터를 직렬로 사용하고 ISO7821LLS에서는 각 채널에 하나의 커패시터를 사용한다는 점만 제외하고, ISO7821LLS에서 전기적 분리에 사용되는 SiO₂는 ISO7762F와 동일합니다. 또한 동일한 OOK 변조를 사용하여 SiO₂ 커패시터를 통해 디지털 데이터를 전송합니다.

ISO7821LLS 전기적 분리 구동기는 산업용 등급 케이블(예: Belden의 88723-002500 고강도 이중 연선 케이블)을 통해 LVDS 데이터를 전송할 수 있습니다. 이 케이블은 빨간색 재킷 안에 두 22 AWG 전선을 연선으로 연결한 고품질 산업용 케이블로서, 실내용 또는 실외용으로 설계되며 지하에 매립될 수도 있습니다. 이 케이블은 -70°C ~ +200°C의 극한 작동 온도를 처리할 수 있으므로 매우 덥거나 매우 추운 환경의 열악한 고압 산업 응용 분야(예: 태양광 전력 인버터)에 적합합니다. 제어 장치는 이 Belden 케이블을 통해 태양광 인버터 박스 내 ISO7821LLS에 LVDS 제어 데이터를 양방향으로 전송할 수 있습니다. 컨버터 박스의 오작동으로 인한 고압 서지를 아이솔레이터에서 차단하여, 저압 제어 장치와 장치 주위의 작업자를 보호합니다.

Texas Instruments ISO7821LLS의 두 출력에는 해당 출력을 고임피던스 상태로 전환하여 비활성화할 수 있는 독립 활성화 핀이 있습니다. 이 핀은 장치가 위치한 LVDS 버스에 여러 구동기가 탑재되어 있고 버스를 다른 버스 마스터에 양도해야 하는 경우에 유용합니다. 따라서 다양한 위치의 여러 제어 장치에서 고전압 장비를 작동해야 하는 산업 환경에 적합합니다.

설계자가 ISO7821LLS를 평가하도록 돕기 위해 Texas Instruments는 ISO7821LLSEVM 평가 기판을 제공합니다(그림 3). 이 평가 기판을 사용하려면 최소한의 외장형 부품이 필요하며 이 기판을 사용하여 ISO7821LLS의 동작과 성능을 평가하고, 테스트 및 벤치마킹 목적으로 LVDS 버스 통신을 모니터링할 수 있습니다.

그림 3: Texas Instruments ISO7821LLSEVM 평가 모듈을 사용하여 ISO7821LLS 이중 채널 차동 분리 버퍼의 LVDS 데이터 통신 성능을 테스트 및 평가할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

모든 고전압 응용 분야는 다 다르므로 ISO7821LLSEVM은 ISO7821LLS의 고전압 분리 동작을 테스트하는 데 사용할 수 없습니다.

전기 아이솔레이터 레이아웃

효과적인 분리를 위해 고전압 전기 아이솔레이터의 레이아웃은 매우 신중하게 수행해야 합니다. 낮은 EMI PC 기판 설계의 경우 표준 레이아웃 규칙이 적용되며, 고속 트레이스 아래에 견고한 접지면이 있고 그 아래에 전력면이 있는 네 개 이상의 계층으로 구성된 PC 기판을 사용합니다. 더 느린 제어 신호가 하단 평면에 위치해야 합니다.

또한 저전압 부품과 고전압 부품을 PC 기판에서 물리적으로 분리해야 합니다. 따라서 여기서 언급한 아이솔레이터에는 패키지의 왼쪽과 오른쪽에 별도의 전력 영역이 있습니다. 또한 신호 전파 방해를 방지하기 위해 각 영역의 트레이스를 다른 영역의 트레이스와 가깝게 연결해서는 안 됩니다.

아이솔레이터가 고전압 섹션에 위치한 경우 저전압 측면이 pc 기판의 가장자리를 향하도록 아이솔레이터를 배치하는 것이 안전합니다. 그러면 고전압으로 인한 저전압 측면의 아크 현상을 방지할 수 있습니다. 아크 현상이 발생할 경우 아이솔레이터의 반대쪽에 있는 저전압 전자기기가 심각하게 손상될 수 있습니다.

결론

수천 볼트의 전압을 사용하는 산업용 장비의 경우 이러한 고전압을 5V 이하의 디지털 제어 논리와 안전하게 분리하여 장비와 사용자를 보호할 수 있는 부품이 필요합니다. 산업용 장비의 특성상 극한 온도 변화에서 장기간 안정적이고 신뢰할 수 있는 분리가 요구됩니다.

그림과 같이 전기적 분리를 기반으로 하는 디지털 아이솔레이터는 그런 응용 분야에 적합한 분리 특성과 작동 온도 사양을 가집니다. 레이아웃과 구성에 유의하여 손상 또는 부상을 방지할 수 있습니다.