DC/DC加強絕緣方案解決變頻器母線電壓監(jiān)測難題

　　摘要：變頻器廣泛應用于工業(yè)運動控制，電力，新能源，電梯，空調(diào)，機械制造等行業(yè)，它通過對工作頻率的控制和改變，讓設(shè)備運行的更加高效節(jié)能，從而得以大量應用。由于變頻器中的電力電子器件例如IGBT快速的開關(guān)導致的dv/dt干擾，使得變頻器母線電壓監(jiān)測問題變得非常困難，本文主要針對這一問題進行分析，并提出解決方案。

　　關(guān)鍵詞：變頻器;加強絕緣;母線電壓監(jiān)測;局部放電測試;沖擊電壓測試

　　1 變頻器母線電壓監(jiān)測上的設(shè)計難題

　　變頻器通過控制IGBT等電力電子器件的開關(guān)來實現(xiàn)工作頻率的改變，因為實際工作母線電壓一般較高，開關(guān)速度較快，因此具有極大的dV/dt,例如10.5kV的母線系統(tǒng)，其電壓變化率高達12kV/μs，這會對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性形成較大的挑戰(zhàn)。為了系統(tǒng)的可靠工作，必須將控制系統(tǒng)與IGBT驅(qū)動系統(tǒng)有效的隔離。

　　與此類似，為了精準的控制母線電壓，我們也需要實時監(jiān)控母線電壓、電流信號，但是從電壓母線側(cè)到控制系統(tǒng)存在一個非常高的電勢差，極易導致控制系統(tǒng)的失效。我們也需要一個類似IGBT驅(qū)動系統(tǒng)一樣的高效隔離方案解決以上問題，即加強絕緣方案。讓我們來看一個實際案例是如何利用加強絕緣方案解決上述難題。

　　如圖1所示采樣IC在采集母線電壓時，處于高電壓側(cè)的采樣系統(tǒng)與處于低壓安全電壓側(cè)的控制系統(tǒng)之間存在極大的共模電勢差，加上IGBT系統(tǒng)工作時引入的開關(guān)尖峰，這個電勢差高達幾kV。因此信號的隔離我們采用滿足UL的37.5kV AC隔離耐壓等級的光耦來實現(xiàn)，同時我們需要為之配套一款滿足UL隔離耐壓不低于2.5kV AC的DC/DC電源模塊。值得注意的是，高電壓側(cè)是位于DC/DC的輸出端，這種應用具有一些特別的隱性技術(shù)需求，會給設(shè)計帶來難題。

　　傳統(tǒng)的DC-DC一般作為電源系統(tǒng)的二次電源，前級都會有一級AC-DC作為一次電源，而DC-DC更多的作為二級隔離作用，具有隔離降低共模噪聲、電壓轉(zhuǎn)換等作用，此時的一次側(cè)交流電壓的干擾經(jīng)過了AC-DC的隔離，再經(jīng)過DC-DC二次隔離，對于控制系統(tǒng)來說，電壓是非常穩(wěn)定了，因此不存在如上的問題。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，DC/DC的輸入和輸出都處于SELV低壓安全電路中。

　　如圖1所示結(jié)構(gòu)，DC-DC應用于監(jiān)測高電壓的話，其輸出端與母線電壓的負端直接相連，那么DC-DC輸出側(cè)就要同時面對輸入和輸出的高電勢差和IGBT系統(tǒng)高電壓變化率dv/dt帶來的共模干擾，如何隔離這兩種干擾，讓其不影響控制系統(tǒng)的正常工作成為了設(shè)計上的難題。那么，這種設(shè)計難題又將如何解決呢?

　　2 加強絕緣設(shè)計方案

　　我們知道圖2中的AC-DC本身采用的是一種加強絕緣設(shè)計，因此，我們必須考慮在圖2的DC-DC部分采用類似的設(shè)計來增強絕緣性能。首先變壓器的絕緣線不能選擇普通的漆包線，而是三層絕緣線。其次，輸入和輸出的電氣間隙將必須設(shè)計得更長，需要參考EN60950的標準和實際的工作電壓來選取。例如工作電壓為480V AC，則電氣間隙則需要大于等于6.4mm。另外一方面，變壓器和PCB的設(shè)計工藝也大不相同。

　　以上的設(shè)計方案可以提升對高電勢差的絕緣效果。但是對于高電壓變化率抗干擾設(shè)計，我們得考慮另外一個重要的設(shè)計要求—低隔離電容。

　　高電壓變化率引起的干擾信號會通過信號光耦和DC/DC電源原副邊寄生電容耦合到控制側(cè)，我們這里已經(jīng)選定了信號光耦，所以我們只關(guān)注DC/DC的設(shè)計。DC/DC內(nèi)部的干擾耦合路徑可能有三個，第一變壓器自身帶的寄生電容，DC/DC內(nèi)部的反饋回路器件光耦的寄生電容和為提升EMI效果而增加的安規(guī)Y電容。三者的疊加值越大，高頻干擾信號就越容易通過隔離柵進入控制系統(tǒng)，引起控制系統(tǒng)的工作異常。因此我們設(shè)計此類電源時，其一取消安規(guī)Y電容，其二選擇沒有光耦的Royer拓撲，將后兩者因素降至0，同時采用降低隔離電容的變壓器設(shè)計方案，如圖4，盡最大可能降低變壓器的隔離電容。例如我們設(shè)計的電源隔離電容低于10pF。

　　我們的加強絕緣設(shè)計方案出來后可以解決以上的技術(shù)難題，但是不足以證明我們的設(shè)計足夠可靠，我們還需要建立完善的絕緣檢測系統(tǒng)來驗證我們的設(shè)計的可靠性。

　　3 絕緣性能的檢測驗證方案

　　下面介紹三種金升陽公司針對絕緣性能的檢測驗證方案：

　　3.1 隔離耐壓測試

　　第一步：將測試部件的兩端的全部端子分別短接，以免懸空對元器件造成損害。如圖5所示。

　　第二步：按照耐壓的測試標準，將耐壓值從0V開始慢慢往上調(diào)，將耐壓值調(diào)至設(shè)定的最高耐壓并在最高耐壓值維持一分鐘時間。如圖6所示。

　　如果測試無擊穿、無飛弧現(xiàn)象，且漏電流符合少于設(shè)定值(例如1mA)的要求即可。如果測試NG，則測試儀報警。

　　隔離耐壓測試方法簡單，只需要一臺普通的耐壓測試儀即可完成測試，如果絕緣系統(tǒng)遭到破壞，則耐壓測試儀可以很方便的監(jiān)測出來并報警。因此耐壓測試法大量被應用于絕緣系統(tǒng)的絕緣特性檢測。但是它的缺點也顯而易見，如果絕緣系統(tǒng)存在瑕疵是無法檢測出來的，因此只能作為初步的絕緣檢測方案。

　　3.2 沖擊電壓測試

　　類似于圖5的連接方式，將耐壓測試儀更換為浪涌發(fā)生器，對絕緣待測物施加1.2μs /50μs標準浪涌波，實際測試電壓根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定，并判斷絕緣待測物是否損壞。分別如圖7和圖8所示。

　　我們可以通過示波器采集沖擊電壓波形，如圖9和圖10。當浪涌電壓撤銷后，對產(chǎn)品上電并帶載，產(chǎn)品工作正常，則通過;否則，NG。沖擊電壓測試是一種相對猛烈的測試方法，是測試受試物對沖擊電壓的耐受能力，同耐壓測試法一樣是一種破壞性測試，也就是說，測試本身對于受試物有一定的損傷。

　　3.3 局部放電測試

　　我們知道耐壓測試、沖擊電壓測試都是一種破壞性測試，多次測試或者測試值接近絕緣系統(tǒng)臨界值都有可能導致絕緣系統(tǒng)的損傷或損壞。但是受試后損傷的測試結(jié)果顯示，絕緣系統(tǒng)的漏電流不超標，絕緣系統(tǒng)正常。這就存在一定的風險，因此引入了局部放電測試方法。

　　局部放電測試是針對變頻器絕緣特性測試提出來的一種行之有效的方式，其與前兩種測試方案的區(qū)別在于，它可以檢測出絕緣系統(tǒng)微小的絕緣瑕疵，而且不會損傷絕緣本體。

　　具體方案是通過給絕緣系統(tǒng)施加一定的電壓，并在一定的時間里測試殘余電荷量來判斷絕緣系統(tǒng)的性能。相對耐壓測試，是一種無損傷且高精度的絕緣檢測方法。以下簡要介紹測試方法，測試過程如圖11所示。

　　(1)參考UL508的要求，變頻器工作電壓選擇局部放電測試電壓UPD，局部放電電壓線性的增加到1.875倍UPD，并保持時間在5s以內(nèi)。例如變頻器工作電壓為400V AC，則測試UPD根據(jù)UL508的要求查表，如表1所示。得出測試電壓基準為450V AC，第一階段測試電壓為835V AC(黃色第一列)。

　　(2)然后將電壓線性降低到1.5倍UPD(誤差±5%)，第二階段測試電壓為668V AC(參考黃色第二列)，保持15s。

　　(3)在這個階段測試局部放電的電荷，如果測試的電荷低于10pC,則測試通過，如圖12和圖13所示，測試全過程殘余電荷低于2.5pC。反之，NG，如圖14所示，測試過程最高點達到175pC。

　　4 變頻器母線電壓監(jiān)測參考設(shè)計

　　針對圖1的變頻器框圖可以選擇的參考設(shè)計為金升陽公司的H2409S-2W-GM，輸出端可以直接和整流橋后的母線負端連接，輸入端連接24V SELV安全低壓電路，并和5V控制器共地。該電源是基于變頻器的隱性技術(shù)需求設(shè)計，如圖15所示，具體特點如下：

　　· 滿足CE要求的高隔離耐壓(4242V DC)/沖擊耐壓要求/局部放電測試;

　　· 滿足UL的材料要求和高隔離耐壓(4242V DC)設(shè)計;

　　· 滿足480V AC工作電壓加強絕緣要求;

　　· 隔離電容低于10pF;

　　· 持續(xù)輸出短路保護。

　　5 結(jié)論

　　本文介紹了變頻器系統(tǒng)在母線電壓監(jiān)測上遇到的技術(shù)難題以及金升陽公司對應的加強絕緣解決方案。同時介紹了三種絕緣性能的檢測驗證方法，最后推薦了加強絕緣系統(tǒng)的電源參考設(shè)計。希望對大家有所幫助。

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