發布日期：2022-04-20 點擊率：67
隔離用戶及敏感電子部件是電機控制系統的重要考慮事項。安全隔離用于保護用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護設備和器件。電機控制系統可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅動電路中的隔離式柵極驅動器；檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標準數字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優化性能，都要求精心選擇這些器件。
雖然隔離是很重要的系統考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數據會產生延遲，而且會增加系統成本。系統設計師傳統上求助于光隔離方案，多年來，它是系統隔離的最佳選擇。
為什么我們要開發隔離的硬件？我們可以將敏感測量與嘈雜的電源域隔離，以提高精度，降低共模噪聲，但出于安全考慮可能不需要隔離。我們稱之為功能隔離。
隔離的最明顯原因是防止觸電的安全方面。系統必須確保免受危險電壓的影響。如果這些電壓存在于系統中，則必須進行隔離。
有兩個級別的隔離：
· 具有基本隔離的系統提供單級隔離和基本的電擊保護。
· 具有雙重隔離的系統由兩個獨立的基本絕緣層組成。除了基本絕緣外，還增加了另一個獨立的絕緣，以確保在基本絕緣失效的情況下防止觸電。
具有加強絕緣的系統提供了一個單一絕緣系統，該系統在相應標準規定的條件下提供相當于雙重絕緣的電擊保護程度。
對于變速驅動器，相關標準是 IEC 61800-5-1。相應的半導體級標準是例如用于光隔離器的 IEC 60747-5-5 和用于電容/磁隔離器的 VDE0884-10/11 和 IEC 60747-17 的草案版本。指定的關鍵參數是什么？IEC 61800-5-1 規定了高壓和導電部件/設備表面之間所需的絕緣等級，具體如下：
· 瞬態過電壓（對應于 VIOTM）
· 浪涌電壓（對應VSURGE）
· 爬電距離
· 清除
這取決于：
· 需要基本或加強隔離
· 系統電壓
· 工作電壓（對應VIORM）
· 過電壓類別
· 污染程度
· 包裝材料
表 1 顯示了隔離術語的概述。
表 1：隔離術語
讓我們看一個工業驅動器的三相交流逆變器的硬件設計示例。逆變器由直流母線供電，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產生。在大部分工業應用中，直流母線電壓在300 V至1000 V范圍內。采用脈寬調制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機端子上產生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。交流逆變器通常由三相交流電網供電。三相交流電的幅度通常指定直流母線電壓。為了將微控制器與功率級隔離，使用了隔離式 IGBT 柵極驅動器以及隔離式相電流和電壓傳感器。
我們如何從交流或直流輸入電壓中檢索隔離電壓要求？
IEC61800-5-1 規定了基于系統電壓的臨時過電壓、沖擊浪涌電壓、最小間隙和爬電距離等相應的電氣參數，用于基于系統電壓以及其他參數，如類別、污染程度和海拔高度。符合 IEC61800-3 的相關系統電壓例如為 300V、600V 和 1000V。供應商規定的系統電壓不得低于相關的 IEC61800-3 電壓。
例如，對于指定為 830Vrms 的系統，IEC61800-5-1 對 1000Vrms 的要求將是有效的。60 秒內可承受的最大正弦峰值電壓為 6.2kVpk，最大浪涌電壓為 12kVpk，最大峰值工作電壓為 830Vrms。對于通過 IEC61800-5-1 的系統，增強或基本隔離的臨時峰值和浪涌電壓取決于系統電壓。請注意，對于半導體隔離器，相關組件標準要求具有增強隔離的隔離器至少通過 10kV 浪涌。
我們如何選擇合適的半導體以及滿足隔離要求的硬件設計注意事項是什么？用于三相逆變器系統參考設計的 隔離式 IGBT 柵極驅動器評估平臺是用于三相逆變器系統的增強型隔離式 IGBT 柵極驅動器評估平臺的一個很好的例子。該設計支持高達 1500Vrms 的工作電壓。該設計已使用高達 22kW 的電機進行測試，超過 IEC61800-3 電源接口的 EMC 抗擾度，具有 8kV ESD 接觸放電和 4kV EFT 所需電壓水平的兩倍。
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