变频驱动器中的电压隔离
变频驱动器中的电压隔离
由肖恩·米兰所作，
亚博棋牌游戏Allegro微系统有限责任公司
摘要：对于大多数工程师来说，设计一种符合国际电压隔离标准的变频驱动器（VFD）是一件令人望而生畏的事情。何时需要加强绝缘？基本绝缘或补充绝缘何时足够？尽管标准很复杂，但是有一些简单的指南可以帮助设计者理解所需的隔离类型。本应用说明虽然不是为全面分析电压隔离标准而设计的，但介绍了各种Allegro电流传感器集成电路（IC）封装，可用于实现符合行业标准的高隔离额定值。亚博尊贵会员
介绍
在本应用说明中，VFD用作必须通过使用绝缘层满足隔离标准的示例系统。许多相同的隔离概念将适用于几乎所有具有高压控制组件和用户界面的系统。基本假设是所有设备的设计都应考虑到安全，以保护用户免受电击1. 大多数标准要求用户通过两级保护或一层被认为是加强的绝缘保护来防止触电2. 在讨论绝缘时应定义几个术语，如下所示。
- 基本绝缘。绝缘层提供基本的防电击保护。
- 补充或补充绝缘。除基本绝缘外，还采用独立绝缘，以降低触电风险。
- 双重绝缘。包括基本绝缘和辅助绝缘的绝缘。
- 加强绝缘。在标准规定的条件下提供相当于双重绝缘的电击防护等级的单一绝缘系统。
加强绝缘的定义是许多系统设计者混淆的一个常见原因，因为它需要熟悉安全标准。这不一定是事实，因为只有双重或加强绝缘足以保护用户免受电击。虽然有许多UL和IEC规范对电击危险电压的定义略有不同，但经验法则是任何超过42.4 Vrms或60 VDC的电压都会带来风险。在大多数情况下，低于此值的电压不会造成严重的电击风险，因此被称为超低电压供电系统。例如，在美国，电话系统从发明之日起就被限制在50伏直流电，以保护用户免受电击，至今仍保持在50伏直流电。这些基本规则有助于我们了解VFD体系结构。
VFD将交流电源电压整流为直流电压，并使用该直流电压驱动电机。图2和图3使用标准的三相VFD拓扑，IGBT用于将电压切换到电机的各相。IGBT由系统微控制器（MCU）控制。电流传感器提供的电流反馈也被输入MCU，并且是电机控制回路的一部分。VFD通过通常连接到MCU数字I/O引脚的用户界面进行控制。从DC+到DC-的整流电压电平范围为200到1000 VDC。虽然按照行业术语，此电压范围内的VFD被认为是“低电压”，但这些电压水平会带来严重的电击风险，需要符合安全标准。这些电压水平通常要求在用户界面和物理外壳中的其他电子设备之间实现双重或加强绝缘（根据行业标准）。这种绝缘要求达到认证标准规定的绝缘等级，因此，当设备或系统通过认证时，将给出绝缘等级，而不是绝缘等级。
通用的行业标准是UL60950-1第2版。虽然本标准是为信息技术设备设计的，但其严格的要求使其成为许多不同设备和部件设计的基准标准。通用组件级标准包括IEC60747-5-2和UL1577，UL60950-1以外的通用系统级标准还包括60730-1、62368-2和61010-1。Allegro有几个IC解决方案，可以提供VFD应用所需的隔离。亚博尊贵会员
Allegro隔离解决方案
Allegro电流传感器IC的独特之处在于它们完全集成。电流将流入和流出传感器IC封装的一侧，信号引线位于另一侧。这在一次电流（高压）侧和信号引线（低压侧）之间提供了爬电和间隙。Allegro的SOIC8标准封装IC如图1所示。Allegro surfacemount电流传感器IC可用于VFD中的任何常见传感位置，电流连续高达40 A，峰值高达65 A甚至更高，具体取决于印刷电路板（PCB）设计。有关直流和瞬态电流封装热性能的应用说明，请访问Allegro网站：亚博尊贵会员
倒装芯片组装技术提供了传感器IC和封装中载流导体之间的间距，从而提供了达到UL和IEC规范规定的高压隔离额定值所需的绝缘。Allegro网站上提供了一段简短的视频，介绍了Allegro为在这些占地面积小的表面贴装电流传感器IC封装中实现高隔离等级而采用的一些专有封装技术，网址为：
VFD需要不同的隔离等级，这取决于系统结构。图2和图3显示了在VFD中实现双重或加强隔离的两种典型方法。首先，我们假设设备已正确接线并插入交流电源，并且电机已正确连接并安全接地，以免产生任何进一步的触电风险。在此假设下，我们可以严格处理用户界面和物理外壳内部电路之间所需的绝缘。
图1:Allegro电流传感器IC
选项1（参考GND）
在此配置中，如图2所示，MCU参考接地，因此，用户界面通常不会受到构成电击风险的电压电平的影响。MCU将配备3.3或5 V标称VCC，该VCC来自同样参考GND的调节器。
但是，请注意，电流传感器的输出信号也连接到MCU。传感器IC的内部导体与驱动电机的电桥中的危险电压电平相连。如果用户界面直接连接到MCU的数字I/O引脚，则电流传感器IC现在需要提供双重或强化隔离，作为保护用户的唯一手段。无论在图2中的何处感应到电流，使用底盘或接地拓扑，电流传感器都需要提供加强的隔离。原因是，如果电流传感器发生故障，MCU也会发生故障，并可能通过用户界面使用户面临电击危险。Allegro电流传感器IC可提供高达800 VDC的强化隔离额定值，非常适合这种拓扑结构。
图2:VFD基本图（MCU参考GND）
选项2（参考高压）
另一种常见的VFD拓扑，如图3所示，MCU参考的是一个高压电位，即直流或直流+整流电压。因此，如果直接连接到MCU，用户界面也会暴露在该电压电位下，从而造成电击风险。因此，用户界面和MCU电路之间需要双重或加强的隔离来进行保护，如图3所示。
由于MCU和用户界面之间需要双重或加强隔离，因此电流传感器只需提供功能性电压隔离即可保护MCU。这是很容易做到的基本绝缘，可在许多Allegro电流传感器集成电路。尽管如此，在这种拓扑结构下，一些传感位置不需要任何隔离，如图3所示，因为它们与MCU具有相似的电位。
最后，如前所述，在VFD中，MCU的用户接口通常由简单的数字I/O线组成，因此增强绝缘由具有增强绝缘等级的数字或光隔离器提供。MCU和用户界面之间的每个I/O引脚都需要这种保护，因此可能需要几个光隔离器。
通过使用图2的GND参考拓扑结构和增强的Allegro电流传感器IC，可以移除光隔离器；但是，需要将MCU与IGBT的驱动信号隔离。
图3:VFD基本图（MCU参考高压）
无论使用哪种VFD拓扑，Allegro都已获得多项技术专利，这些技术可在小尺寸电流传感器半导体封装中实现基本或强化隔离，以满足应用需求。此外，Allegro还为VFD（和其他高压）应用提供了多种电流传感器IC组合，具有不同的集成特性和精度水平。Allegro的每一个专利电流传感器IC都经过严格的行业标准认证，如UL/TUV 60950-1和UL1577。亚博尊贵会员
表1总结了Allegro提供的表面贴装封装选项及其相关的标准认证隔离级别。表1中的所有组件均通过IEC/UL60950-1规范认证。
摘要表包括标准SOIC8封装外形和宽体SOIC16封装外形的选项。不同的绝缘等级来自内部或外部构造技术，这些构造技术的设计符合用于认证集成电路的UL或TUV规范。请注意，所有的封装都提供了一个基本的隔离等级，可以实现高工作电压。SOIC16宽体（MA）封装中的Allegro解决方案可在直流母线上提供高达800 VDC的增强额定值，以及高达1550 VDC的基本额定值。
| 包裹 （代码） |
隔离等级 Vrms公司 |
基本工作电压 Vpk公司 |
加强工作电压 Vpk公司 |
包装图 | |
| 土壤8 （连卡佛） |
2400 | 420 | 164 |  |
|
| 土壤16W （洛杉矶） |
3600 | 870 | 无法使用的 | ||
| 土壤16W （毫安） |
4800 | 1550 | 800 | ||
Allegro提供的表面贴装封装电流传感器IC解决方案及其隔离等级摘要可在以下网址获得：
有关确切的基本和加强隔离等级、UL或TUV标准以及详细的包装图，请参见单独的数据表。
其他应用说明、常见问题亚博尊贵会员解答和产品信息也可以在www.wangzuanquan.com。
1UL60950-1简介：第0.1节“一般安全原则”。
2定义取自UL60950-1“定义”部分。