可变频率驱动器中的电压隔离
可变频率驱动器中的电压隔离
由Shaun Milano，
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems，LLC
摘要：对于大多数工程师来说，它可以令人生畏地设计一个符合国际标准的电压隔离标准的可变频率驱动器（VFD）。何时需要加强绝缘？什么时候是基本或补充绝缘的？尽管标准的复杂性，但有一些简单的指导方针可以帮助设计人员了解将需要的隔离类型。本申请说明亚博尊贵会员，虽然不是旨在全面分析电压隔离标准，但介绍了可用于实现符合行业标准的高隔离额定值的各种Allegro电流传感器集成电路（IC）封装。
介绍
在本应用笔记中，VFD用作示例系统，该系统必须通过使用绝缘层满足隔离标准。许多这些相同的隔离概念将应用于具有高压控制组件和用户界面的几乎任何系统。基本假设是所有设备应在安全性中轻松设计，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等级保护，或被认为被加强的单层绝缘保护2。讨论绝缘后应定义几个术语，如下所示。
- 基本绝缘。绝缘以提供对触电的基本保护。
- 补充或补充绝缘。除了基本绝缘之外还应用独立的绝缘，以降低电击的风险。
- 双重绝缘。绝缘包括基本绝缘和补充隔离。
- 加强绝缘。单一绝缘系统，可在标准指定的条件下提供对电击的抗冲击程度相当于双重绝缘。
钢筋绝缘的定义是许多系统设计师混淆的常见原因，因为它需要熟悉安全标准。通过理解只有双或加强绝缘足以保护用户免受触电。虽然有许多UL和IEC规范，其在稍微不同的级别定义了冲击危险电压，但良好的拇指规则是超过42.4 VRMS或60 VDC的任何电压都会产生风险。低于此的电压在大多数情况下，在大多数情况下不会对电击产生严重风险，并且被称为低电压供应系统。例如，在美国，从本发明的电话系统限制为50 VDC，以保护用户免受电击，并且仍然是这一天的50 VDC。这些基本规则在我们转移到VFD架构时帮助我们。
VFD将使AC电源电压纠正到DC电压，并使用该直流电压驱动电动机。图2和图3使用标准的三相VFD拓扑，用于将电压切换到电机的相位的IGBT。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送入MCU，并且是电机控制回路的一部分。VFD通过通常连接到MCU的数字I / O引脚的用户界面来控制。从DC +到DC范围的整流电压水平从200到1000 VDC。虽然在该电压范围内的VFD被认为是每个行业命名的“低电压”，但这些电压水平造成了严重的电击风险，并且需要符合安全标准。这些电压水平通常要求在物理外壳中的用户界面和其他电子器件之间实现双或加强绝缘层（每个行业标准）。该绝缘是根据认证的标准实现隔离额定值，因此当设备或系统经过认证时，它被赋予隔离额定值，而不是绝缘额定值。
普通行业标准是UL60950-1版本2.虽然本标准设计用于信息技术设备，但其严格的要求使其成为许多不同设备和组件设计的基准标准。常见的组件级标准包括IEC60747-5-2和UL1577，UL60950-1之外的常见Systemlevel标准还包括60730-1,62368-2和61010-1。Allegro有几种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是独一无二的，因为它们完全集成。电流将在一侧进出传感器IC封装，并将信号引线处于另一侧。这提供了初级电流（高压）侧和信号引线（低压侧）之间的爬电和间隙。Allegro的SOIC8标准占地面积IC如图1所示。Allegro SurfaceMount电流传感器IC可用于VFD中的任何一个通用感应位置，对于高达40个连续的电流，峰值高达65 A甚至更高，取决于在印刷电路板（PCB）设计上。All亚博尊贵会员egro网站提供了关于DC和瞬态电流封装热性能的应用说明：
倒装芯片组装技术在包装中提供传感器IC和电流承载导体之间的间距，这提供了在UL和IEC规范下实现高压隔离额定值所需的绝缘。Allegro网站上提供了一款简易视频，用于在这些小型占地面贴上电流传感器IC封装中获得的Allegro以实现高隔离额定值来实现的一些专有的包装技术。
VFD根据系统架构需要不同的隔离额定值。图2和图3显示了在VFD中实现双或增强隔离的两种典型方法。首先，让我们假设设备正确连接并插入交流电源，并且电机被安全地连接和接地，以免引入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机箱内部内部电路之间所需的绝缘。
图1：Allegro电流传感器IC
选项＃1（引用GND）
在该配置中，如图2所示，MCU被称为地球GND，因此，用户界面通常不会受到构成电击风险的电压电平。MCU将提供3.3或5 V标称VCC，该调节器也引用GND。
但是，请注意，电流传感器的输出信号也连接到MCU。传感器IC的内部导体连接到驱动电动机的桥梁中的危险电压电平。如果用户界面直接连接到MCU的数字I / O引脚，则现在需要电流传感器IC以提供双或增强隔离，作为保护用户的唯一手段。无论在图2中是否在图2中感测到电流，使用底盘或地球GND拓扑，电流传感器需要提供增强隔离。原因是，如果电流传感器失败，则MCU也将失败并可能通过用户界面将用户暴露给冲击危险。Allegro电流传感器IC可提供，提供高达800 VDC的强化隔离额定值，这非常适合这种拓扑。
图2：VFD基本图（MCU引用GND）
选项＃2（参考高电压）
图3中所示的另一个常见VFD拓扑具有称为高压电位的MCU，DC或DC +整流电压。因此，如果直接连接到MCU，则用户界面也将暴露于该电压电位，从而造成电击的风险。因此，如图3所示，需要保护用户界面和MCU电路之间的双或增强隔离。
由于MCU和用户界面之间需要双或增强隔离，因此电流传感器仅需要提供功能电压隔离以保护MCU。这很容易通过许多Allegro电流传感器IC中提供的基本绝缘来实现。虽然，通过这种拓扑，一些传感位置不需要任何隔离，如图3所示，由于在MCU的类似潜力。
最后，如前所述，在VFD中，MCU的用户界面通常由简单的数字I / O线组成，因此增强绝缘由具有增强隔离额定值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，因此可能需要多个光隔离器。
通过采用图2的GND参考拓扑，可以将光隔离器移除;但是，需要将MCU与驱动信号隔离到IGBT。
图3：VFD基本图（MCU引用高压）
无论使用哪种VFD拓扑，Allegro都有多项专利的若干技术，可在小型占地面积传感器半导体套件中实现基本或增强隔离，以满足应用需求。此外，Allegro为VFD（和其他高压）应用提供了各种电流传感器IC组合，具有不同的集成功能和精度等级。亚博尊贵会员Allegro的每个专利电流传感器IC都经过认证到严格的行业标准，如UL / TUV 60950-1和UL1577。
表1总结了从Allegro提供的表面贴装封装选项及其相关的标准认证的隔离级别。表1中的所有组件都经过认证到IEC / UL60950-1规范。
摘要表包括标准SOIC8封装占用件的选项和宽体SOIC16包占用脚印。不同的隔离额定值来自内部或外部施工技术，该技术旨在符合用于认证IC的UL或TUV规范。请注意，所有包都提供了一种基本隔离额定值，可实现高工作电压。SOIC16宽体（MA）封装中的Allegro解决方案可以在直流总线上提供高达800 VDC的增强额定值，以及高达1550 VDC的基本额定值。
| 包裹 （代码） |
孤立评级 VRMS. |
基本工作电压 vpk. |
加强工作电压 vpk. |
包绘图 | |
| SOIC8 （LC） |
2400. | 420. | 164. |  |
|
| SOIC16W （洛杉矶） |
3600. | 870. | 无法使用 | ||
| SOIC16W （嘛） |
4800 | 1550. | 800 | ||
Allegro提供的表面贴装封装电流传感器IC解决方案及其隔离额定值的摘要可用于：
//www.wangzuanquan.com/en/products/sense/current-sensor-ics/zero-to-fiftytutut-amp-隔膜 -
有关确切基本和强化隔离额定值，UL或TUV标准和详细包装图形，请参阅单个数据表。
附加申请说明，常见问题亚博尊贵会员解答，产品信息也可以在www.wangzuanquan.com上找到。
1UL60950-1简介：第0.1节“安全原则”。
2定义取自UL60950-1“定义”部分。