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

การเลือกวิศวกรรมของโมดูลและไฟเบอร์ออปติกสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูง

ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูง ไดรเวอร์เกต IGBT ไม่ได้มีหน้าที่เพียงแค่ควบคุมการสลับเท่านั้น แต่ยังมีบทบาทสำคัญในการให้ฉนวนไฟฟ้าแยก (galvanic isolation) ระหว่างสเตจกำลังไฟฟ้าแรงสูงและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าต่ำ เมื่อคลาสแรงดันไฟฟ้าของ IGBT เพิ่มขึ้นจาก 1.7 kV เป็น 3.3 kV, 4.5 kV และแม้แต่ 6.5 kV การออกแบบฉนวนจะค่อยๆ เปลี่ยนจากการพิจารณาในระดับส่วนประกอบไปสู่ปัญหาด้านสถาปัตยกรรมความปลอดภัยในระดับระบบ

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ ฉนวนออปติกที่ใช้โมดูลออปติกและลิงก์ไฟเบอร์จึงกลายเป็นโซลูชันหลักสำหรับการขับเคลื่อนเกต IGBT แรงดันไฟฟ้าสูง

บทบาทหน้าที่ของโมดูลออปติกในระบบไดรเวอร์เกต

โมดูลออปติกจะแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณออปติกและแปลงกลับอีกครั้ง ทำให้เกิดการแยกทางไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ตลอดเส้นทางสัญญาณ ซึ่งแตกต่างจากการแยกแบบแม่เหล็กหรือแบบคาปาซิทีฟ ฉนวนออปติกไม่ได้อาศัยการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าหรือสนามไฟฟ้า ความสามารถในการแยกส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยระยะทางทางกายภาพและโครงสร้างฉนวน ทำให้สามารถปรับขนาดได้สำหรับแอปพลิเคชันแรงดันไฟฟ้าสูงพิเศษ

ในการออกแบบไดรเวอร์ IGBT ในทางปฏิบัติ โมดูลออปติกมักจะถูกนำไปใช้เป็นคู่เครื่องส่งและเครื่องรับ โดยมักใช้การเข้ารหัสทางกลหรือสีเพื่อแยกแยะทิศทางการส่ง ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการเชื่อมต่อผิดพลาดระหว่างการประกอบและการบำรุงรักษา ซึ่งเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในอุปกรณ์รถไฟและอุปกรณ์โครงข่ายไฟฟ้า

โมดูลออปติกพลาสติก: คุณค่าทางวิศวกรรมของความทนทานต่อการเชื่อมต่อสูง

โมดูลออปติกพลาสติกโดยทั่วไปทำงานในช่วงความยาวคลื่นสีแดงที่มองเห็นได้ (ประมาณ 650 nm) โดยใช้ตัวปล่อย LED ร่วมกับไฟเบอร์ออปติกพลาสติก (POF) ลักษณะออปติกที่โดดเด่นที่สุดคือรูรับแสงเชิงตัวเลข (NA) ที่มีขนาดใหญ่มาก โดยทั่วไปประมาณ 0.5

รูรับแสงเชิงตัวเลขอธิบายมุมการรับสูงสุดของไฟเบอร์และสามารถแสดงได้ดังนี้:

NA ประมาณ 0.5 สอดคล้องกับมุมครึ่งหนึ่งของการรับประมาณ 30° ซึ่งหมายความว่าแสงส่วนใหญ่ที่แตกต่างกันซึ่งปล่อยออกมาจาก LED สามารถเชื่อมต่อเข้ากับไฟเบอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากมุมมองทางวิศวกรรม NA ที่สูงนี้ช่วยลดข้อกำหนดในการจัดตำแหน่งออปติก ความสม่ำเสมอของตัวปล่อย และความแม่นยำของตัวเชื่อมต่ออย่างมาก ซึ่งนำไปสู่ต้นทุนระบบที่ต่ำลงและความทนทานในการประกอบที่ดีขึ้น

อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบนี้มาพร้อมกับการประนีประนอมโดยธรรมชาติ ไฟเบอร์ NA สูงรองรับโหมดการแพร่กระจายจำนวนมาก แสงที่เดินทางไปตามเส้นทางที่แตกต่างกันจะพบกับความยาวเส้นทางออปติกที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้เกิดการขยายพัลส์เมื่อมีการส่งพัลส์ออปติกสั้น ปรากฏการณ์นี้—การกระจายแบบโหมด—จำกัดทั้งอัตราข้อมูลที่ทำได้และระยะการส่งสูงสุด

ด้วยเหตุนี้ โมดูลออปติกพลาสติกจึงมักใช้สำหรับอัตราข้อมูลตั้งแต่สิบกิโลบิตต่อวินาทีจนถึงสิบเมกะบิตต่อวินาที โดยมีระยะการส่งตั้งแต่หลายสิบเมตรถึงประมาณหนึ่งร้อยเมตร การพัฒนาล่าสุดทำให้โมดูลออปติกพลาสิกบางตัวสามารถทำงานร่วมกับไฟเบอร์พลาสติกหุ้มซิลิกา (PCS) ได้ ซึ่งขยายระยะทางที่ทำได้ถึงหลายร้อยเมตรในขณะที่ยังคงรักษาความทนทานต่อการเชื่อมต่อสูง

โมดูลออปติกชนิด ST สำหรับระยะทางไกลและความน่าเชื่อถือสูง

สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงขึ้นหรือระยะการส่งที่ยาวขึ้น โมดูลออปติกชนิด ST ที่รวมกับไฟเบอร์มัลติโหมดแก้วมักถูกนำมาใช้ โมดูลเหล่านี้โดยทั่วไปทำงานที่ประมาณ 850 nm ในขณะที่การออกแบบรุ่นแรกๆ อาศัยตัวปล่อย LED เป็นหลัก รุ่นใหม่ๆ ใช้เลเซอร์ VCSEL มากขึ้นเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของเอาต์พุตและความเสถียรในระยะยาว

เมื่อเทียบกับโมดูลออปติกพลาสติก โมดูลชนิด ST ใช้โครงสร้างภายในระดับการสื่อสารมากขึ้น ชุดประกอบเครื่องส่ง (TOSA) และเครื่องรับ (ROSA) มักจะถูกปิดผนึกอย่างแน่นหนาและเติมด้วยก๊าซเฉื่อย ซึ่งให้ความทนทานที่เหนือกว่าต่อความชื้น การสั่นสะเทือน และความเครียดจากสิ่งแวดล้อม

เมื่อจับคู่กับไฟเบอร์แก้วมัลติโหมด โมดูลออปติก ST สามารถทำระยะการส่งได้ในระดับกิโลเมตร สิ่งนี้ทำให้เหมาะสำหรับระบบขับเคลื่อนเรือ อุปกรณ์ส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูง และระบบแปลงกำลังไฟฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือมีมากกว่าข้อพิจารณาด้านต้นทุน

ชนิดของไฟเบอร์และผลกระทบของการกระจายแบบโหมด

ไฟเบอร์ออปติกนำแสงโดยการสะท้อนกลับภายในทั้งหมด ซึ่งทำได้โดยดัชนีการหักเหของแสงที่สูงกว่าในแกนกลางมากกว่าในแคลดดิ้ง ตามพฤติกรรมของโหมด ไฟเบอร์จะถูกจัดประเภทอย่างกว้างๆ เป็นโหมดเดี่ยวหรือมัลติโหมด

ไฟเบอร์โหมดเดี่ยว ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลางที่เล็กมาก รองรับเพียงโหมดการแพร่กระจายเดียวและช่วยให้สามารถส่งข้อมูลได้โดยไม่มีการบิดเบือนในระยะทางหลายสิบกิโลเมตร โดยทั่วไปที่ 1310 nm หรือ 1550 nm อย่างไรก็ตาม ไฟเบอร์นี้ต้องการการจัดตำแหน่งออปติกที่แม่นยำและแหล่งกำเนิดเลเซอร์คุณภาพสูง

ไฟเบอร์มัลติโหมด ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางแกนกลาง 50 µm หรือ 62.5 µm รองรับโหมดการแพร่กระจายหลายโหมดและเหมาะสำหรับ LED หรือแหล่งกำเนิดเลเซอร์ราคาประหยัด ระยะทางสูงสุดที่ใช้งานได้ถูกจำกัดด้วยการกระจายแบบโหมดมากกว่ากำลังออปติกเพียงอย่างเดียว

ในแอปพลิเคชันไดรเวอร์เกต IGBT ทั้งโมดูลออปติกพลาสติกและโมดูลชนิด ST ส่วนใหญ่ใช้ไฟเบอร์มัลติโหมดเนื่องจากความทนทานและประสิทธิภาพด้านต้นทุน

เหตุใดไดรเวอร์เกต IGBT แรงดันไฟฟ้าสูงจึงพึ่งพาฉนวนออปติก

พิกัดแรงดันไฟฟ้า IGBT ทั่วไป ได้แก่ 650 V, 1200 V, 1700 V, 2300 V, 3300 V, 4500 V และ 6500 V สำหรับคลาสแรงดันไฟฟ้าสูงถึงประมาณ 2300 V อุปกรณ์แยกแบบแม่เหล็กหรือแบบคาปาซิทีฟยังคงสามารถใช้งานได้เมื่อรวมกับการออกแบบ EMC ที่เหมาะสม

อย่างไรก็ตาม เกิน 3300 V ข้อจำกัดด้านระยะห่างและการกวาดล้างของส่วนประกอบแยกแบบแยกส่วนกลายเป็นข้อจำกัดที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่ตัวควบคุมและหน่วยอินเวอร์เตอร์แยกจากกันหลายเมตรขึ้นไป ในกรณีดังกล่าว ฉนวนออปติกโดยใช้ลิงก์ไฟเบอร์จึงเป็นโซลูชันที่ปรับขนาดได้และแข็งแกร่งที่สุด

ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น ตัวแปลงรถไฟ ระบบ HVDC แบบยืดหยุ่น และไดรฟ์ขับเคลื่อนเรือ ฉนวนออปติกไม่ได้เป็นเพียงวิธีการส่งสัญญาณอีกต่อไป แต่เป็นส่วนหนึ่งของแนวคิดด้านความปลอดภัยของระบบ

ตัวเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติก: ฉนวนที่กำหนดโดยโครงสร้าง

ในแอปพลิเคชันที่มีข้อกำหนดด้านฉนวนที่เข้มงวดอย่างยิ่ง ตัวเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกได้กลายเป็นโซลูชันเฉพาะทาง อุปกรณ์เหล่านี้รวมเครื่องส่งและเครื่องรับออปติกเข้ากับไฟเบอร์พลาสติกที่มีความยาวคงที่ภายในแพ็คเกจเดียว ทำให้ได้ระยะห่างและการกวาดล้างที่มากเป็นพิเศษผ่านโครงสร้างทางกล

อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานโดยทั่วไปในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้โดยใช้เทคโนโลยี LED สามารถให้ระดับฉนวนในระดับหลายสิบกิโลโวลต์ ความสามารถในการแยกของอุปกรณ์เหล่านี้ถูกกำหนดโดยหลักจากเรขาคณิตทางกายภาพมากกว่าข้อจำกัดของเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเน้นย้ำถึงความสามารถในการปรับขนาดที่เป็นเอกลักษณ์ของฉนวนออปติก

พารามิเตอร์สำคัญในการเลือกโมดูลออปติก

เมื่อเลือกโมดูลออปติกสำหรับไดรเวอร์เกต IGBT การจัดสรรกำลังออปติกระดับระบบเป็นสิ่งจำเป็น พารามิเตอร์หลัก ได้แก่ อัตราข้อมูล กำลังออปติกที่ส่ง และความไวของเครื่องรับ

สำหรับสัญญาณควบคุมเกต PWM ซึ่งโดยทั่วไปทำงานต่ำกว่า 5 kHz อัตราข้อมูลเพียงไม่กี่เมกะบิตต่อวินาทีก็เพียงพอแล้ว อัตราข้อมูลที่สูงขึ้นจำเป็นเมื่อลิงก์ออปติกยังใช้สำหรับการสื่อสารหรือการวินิจฉัย

กำลังออปติกที่ส่ง PTP_TPT​ แสดงถึงเอาต์พุตออปติกภายใต้สภาวะกระแสไฟขับเคลื่อนจริง ในขณะที่ความไวของเครื่องรับ PRP_RPR​ กำหนดกำลังออปติกขั้นต่ำที่จำเป็นเพื่อให้ได้อัตราข้อผิดพลาดบิตที่ระบุ ขอบเขตที่มีอยู่ระหว่างค่าเหล่านี้จะกำหนดระยะการส่งที่อนุญาต

แบบจำลองทางวิศวกรรมที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการประมาณระยะการส่งสูงสุดคือสมการงบประมาณกำลังออปติก:

ที่ 850 nm ค่าวิศวกรรมทั่วไปสำหรับการลดทอนไฟเบอร์มัลติโหมดคือประมาณ 3–4 dB/km สำหรับไฟเบอร์ 50/125 µm และ 2.7–3.5 dB/km สำหรับไฟเบอร์ 62.5/125 µm 

ตัวอย่าง: การประมาณระยะทางตามกระแสไฟขับเคลื่อน

พิจารณาโมดูลออปติกเครื่องส่งที่มีกำลังเอาต์พุตทั่วไป −14 dBm ที่กระแสไฟขับเคลื่อน 60 mA ตามลักษณะกำลังออปติกปกติเทียบกับกระแสไฟไปข้างหน้า การใช้งานเครื่องส่งที่ 30 mA จะให้เอาต์พุตประมาณ 50 % ของเอาต์พุตเล็กน้อย ซึ่งสอดคล้องกับการลดลง −3 dB หรือ −17 dBm

หากความไวของเครื่องรับคือ −35 dBm ขอบเขตของระบบถูกตั้งค่าเป็น 2 dB และใช้ไฟเบอร์มัลติโหมด 62.5/125 µm ที่มีการลดทอน 2.8 dB/km ระยะการส่งสูงสุดสามารถประมาณได้ดังนี้:

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าแม้จะลดกระแสไฟขับเคลื่อนลง ซึ่งมักจะเลือกเพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานและประสิทธิภาพทางความร้อน ระยะการส่งที่เพียงพอก็ยังสามารถทำได้เมื่อมีการนำงบประมาณกำลังออปติกไปใช้อย่างเหมาะสม

ปัจจัยในทางปฏิบัติที่มักถูกมองข้ามในภาคสนาม

ในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง ความไม่เสถียรของลิงก์ออปติกมักเกิดจากการเลือกพารามิเตอร์ที่ไม่ถูกต้อง แต่เกิดจากรายละเอียดกระบวนการและการติดตั้งที่ถูกมองข้าม

อินเทอร์เฟซออปติกมีความไวต่อการปนเปื้อนอย่างยิ่ง อนุภาคฝุ่นอาจมีขนาดใกล้เคียงกับแกนกลางของไฟเบอร์และอาจทำให้เกิดการสูญเสียการแทรกที่สำคัญหรือความเสียหายถาวรต่อปลายหน้า ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องรักษาฝาครอบกันฝุ่นจนกว่าจะติดตั้งขั้นสุดท้ายและใช้วิธีการทำความสะอาดที่เหมาะสม

การโค้งงอของไฟเบอร์เป็นอีกกลไกการสูญเสียที่ถูกประเมินต่ำเกินไป เมื่อรัศมีการโค้งงอมีขนาดเล็กเกินไป การสะท้อนกลับภายในทั้งหมดจะถูกละเมิด ทำให้เกิดการสูญเสียแบบมาโครโค้งงอหรือไมโครโค้งงอ โดยทั่วไป รัศมีการโค้งงอขั้นต่ำไม่ควรน้อยกว่าสิบเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของสายไฟเบอร์ และควรตรวจสอบกำลังออปติกภายใต้สภาวะการติดตั้งขั้นสุดท้าย

บทสรุป

ในระบบไดรเวอร์เกต IGBT แรงดันไฟฟ้าสูง โมดูลและไฟเบอร์ออปติกไม่ได้เป็นเพียงส่วนประกอบสัญญาณเท่านั้น แต่ยังกำหนดระดับฉนวนที่ทำได้ ความน่าเชื่อถือของระบบ และความเสถียรในการทำงานในระยะยาว โมดูลออปติกพลาสติก โมดูลชนิด ST และตัวเชื่อมต่อไฟเบอร์ออปติกแต่ละตัวครอบครองโดเมนแอปพลิเคชันที่แตกต่างกันซึ่งกำหนดโดยคลาสแรงดันไฟฟ้า ระยะทาง และข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ

ความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับฟิสิกส์ออปติก การจัดสรรกำลังออปติกอย่างระมัดระวัง และแนวทางปฏิบัติในการติดตั้งอย่างมีวินัยเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ตระหนักถึงประโยชน์ของฉนวนออปติกในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าสูงอย่างเต็มที่