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Delta-Sigma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：

bull小尺寸

bull爬電距離長

bull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15MbpsRV1S9260A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。