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，
雷竞技竞猜下载快板微系统公司有限责任公司
摘要:对于大多数工程师来说，设计一个符合国际电压隔离标准的变频驱动器(VFD)是一件令人生畏的事情。什么时候需要加强绝缘?什么时候基本绝缘或补充绝缘是足够的?尽管这些标准很复杂，但还是有一些简单的指导原则可以帮助设计人员理解所需的隔离类型。本文介绍了雷竞技最新网址各种Allegro电流传感器集成电路(IC)封装，可用于实现满足行业标准的高隔离等级。
介绍
在本应用说明中，VFD作为一个示例系统，必须通过使用绝缘层来满足隔离标准。许多相同的隔离概念将适用于几乎任何具有高压控制组件和用户界面的系统。基本的假设是，所有的设备都应该在设计时明确考虑到安全，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单层绝缘保护来防止电击2．在讨论绝缘时应该定义几个术语，如下所示。
- 基本绝缘。绝缘提供基本的防电击保护。
- 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。在标准规定的条件下提供与双重绝缘同等程度的防电击保护的单一绝缘系统。
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将交流市电电压整流到直流电压，并使用该直流电压来驱动电机。图2和图3使用标准的三相VFD拓扑结构，igbt用于将电压切换到电机的相位。igbt由系统单片机(MCU)控制。由电流传感器提供的电流反馈也馈入单片机，并成为电机控制回路的一部分。VFD通过一个用户界面进行控制，该用户界面通常连接到单片机的数字I/O引脚。从DC+到DC -的整流电压电平范围为200 ~ 1000vdc。虽然在这个电压范围内的vfd被认为是“低电压”每个行业术语，这些电压水平会造成严重的电击风险，并要求遵守安全标准。这些电压水平通常要求用户界面和物理外壳中的其他电子之间达到双重或加强绝缘(按照行业标准)。这种绝缘需要达到它所认证的标准中的隔离等级，所以当一个设备或系统被认证时，它被给予隔离等级，而不是绝缘等级。
常见的行业标准是UL60950-1 edition 2。虽然该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组件设计的基准标准。常见的组件级标准有IEC60747-5-2和UL1577，除UL60950-1之外的常用系统级标准还有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。雷竞技最新网址
快板隔离解决方案
Allegro电流传感器ic的独特之处在于它们完全集成。电流将在一侧进出传感器IC封装，而信号引线在另一侧。这提供了漏电和一次电流(高压)侧和信号引线(低压侧)之间的间隙。来自Allegro的SOIC8标准足迹IC如图1所示。Allegro表面贴装电流传感器ic可用于vfd的任何常见传感位置，连续电流可达40 A，峰值可达65 A或更高，具体取决于印刷电路板(PCB)设计。关于直雷竞技最新网址流和瞬态电流封装热性能的应用说明可在Allegro网站上找到:
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。
但是需要注意的是，电流传感器的输出信号也是连接到MCU上的。传感器IC的内部导体连接到驱动电机的桥上的危险电压水平。如果用户界面直接连接到MCU的数字I/O引脚，电流传感器IC现在需要提供双重或加强隔离作为保护用户的唯一手段。无论电流在图2中的何处被感知，使用机箱或接地拓扑，电流传感器都需要提供加强隔离。原因是，如果当前的传感器失败，MCU也会失败，并通过用户界面潜在地暴露给用户一个电击危险。Allegro电流传感器ic可提供高达800 VDC的强化隔离额级，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。
由于单片机和用户界面之间需要双重或强化隔离，电流传感器只需要提供功能电压隔离来保护单片机。在许多Allegro电流传感器集成电路中，这很容易通过基本的绝缘来实现。但是，在这种拓扑中，一些传感位置不需要任何隔离，如图3所示，因为它们与MCU具有类似的电位。
最后，如前所述，在vfd中，单片机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等级的数字或光隔离器提供。单片机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。
通过采用图2的GND参考拓扑与增强Allegro电流传感器ic，光隔离器可以被移除;然而，需要将单片机与igbt的驱动信号隔离开来。
图3:VFD基本图(MCU参考高压)
无论使用哪种VFD拓扑结构，Allegro已经申请了多项技术专利，这些技术可以在小足迹电流传感器半导体封装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)应用提供了多样化的电流传感器ic组合，具有不同的集成功能和精度水平。雷竞技最新网址Allegro的每一个专利电流传感器ic都通过了严格的行业标准认证，如UL/TUV 60950-1和UL1577。
表1总结了Allegro提供的表面安装包选项及其相关的标准认证隔离级别。表1中的所有部件均通过IEC/ UL60950-1认证。
汇总表包括标准SOIC8封装占用和宽体SOIC16封装占用的选项。不同的隔离等级来自内部或外部施工技术，这些技术设计符合UL或TUV规范，用于认证ic。请注意，所有封装都提供了一个基本的隔离额定值，以支持高工作电压。Allegro解决方案在SOIC16宽体(MA)包可以提供一个加强额定直流母线高达800 VDC，和一个基本额定高达1550 VDC。
| 包 （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 | 不可用 | ||
| SOIC16W (马) |
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.wasanxing.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。
其他应用程序说明、常见雷竞技最新网址问题和产品信息也可以在www.wasanxing.com上找到。
1UL60950-1介绍:0.1节“安全的一般原则”。
2定义取自UL60950-1“定义”章节。