【導(dǎo)讀】變頻器廣泛應(yīng)用于工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制，電力，新能源，電梯，空調(diào)，機(jī)械制造等行業(yè)，它通過對(duì)工作頻率的控制和改變，讓設(shè)備運(yùn)行的更加高效節(jié)能，從而得以大量應(yīng)用。由于變頻器中的電力電子器件例如IGBT快速的開關(guān)導(dǎo)致的dv/dt干擾，使得變頻器母線電壓監(jiān)測(cè)問題變得非常困難，本文主要針對(duì)這一問題進(jìn)行分析，并提出解決方案。
1 變頻器母線電壓監(jiān)測(cè)上的設(shè)計(jì)難題
變頻器通過控制IGBT等電力電子器件的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)工作頻率的改變，因?yàn)閷?shí)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(dá)12kV/μs，這會(huì)對(duì)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(dòng)系統(tǒng)有效的隔離。
與此類似，為了精準(zhǔn)的控制母線電壓，我們也需要實(shí)時(shí)監(jiān)控母線電壓、電流信號(hào)，但是從電壓母線側(cè)到控制系統(tǒng)存在一個(gè)非常高的電勢(shì)差，極易導(dǎo)致控制系統(tǒng)的失效。我們也需要一個(gè)類似IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一樣的高效隔離方案解決以上問題，即加強(qiáng)絕緣方案。讓我們來看一個(gè)實(shí)際案例是如何利用加強(qiáng)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(shí)，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(shì)差，加上IGBT系統(tǒng)工作時(shí)引入的開關(guān)尖峰，這個(gè)電勢(shì)差高達(dá)幾kV。因此信號(hào)的隔離我們采用滿足UL的37.5kV AC隔離耐壓等級(jí)的光耦來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)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(yīng)用具有一些特別的隱性技術(shù)需求，會(huì)給設(shè)計(jì)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(jí)都會(huì)有一級(jí)AC-DC作為一次電源，而DC-DC更多的作為二級(jí)隔離作用，具有隔離降低共模噪聲、電壓轉(zhuǎn)換等作用，此時(shí)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(duì)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(yīng)用于監(jiān)測(cè)高電壓的話，其輸出端與母線電壓的負(fù)端直接相連，那么DC-DC輸出側(cè)就要同時(shí)面對(duì)輸入和輸出的高電勢(shì)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(jì)上的難題。那么，這種設(shè)計(jì)難題又將如何解決呢？
2 加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)方案
我們知道圖2中的AC-DC本身采用的是一種加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)，因此，我們必須考慮在圖2的DC-DC部分采用類似的設(shè)計(jì)來增強(qiáng)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(jì)得更長(zhǎng)，需要參考EN60950的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)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(jì)工藝也大不相同。
以上的設(shè)計(jì)方案可以提升對(duì)高電勢(shì)差的絕緣效果。但是對(duì)于高電壓變化率抗干擾設(shè)計(jì)，我們得考慮另外一個(gè)重要的設(shè)計(jì)要求—低隔離電容。
高電壓變化率引起的干擾信號(hào)會(huì)通過信號(hào)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(hào)光耦，所以我們只關(guān)注DC/DC的設(shè)計(jì)。DC/DC內(nèi)部的干擾耦合路徑可能有三個(gè)，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(hào)就越容易通過隔離柵進(jìn)入控制系統(tǒng)，引起控制系統(tǒng)的工作異常。因此我們?cè)O(shè)計(jì)此類電源時(shí)，其一取消安規(guī)Y電容，其二選擇沒有光耦的Royer拓?fù)洌瑢⒑髢烧咭蛩亟抵?，同時(shí)采用降低隔離電容的變壓器設(shè)計(jì)方案，如圖4，盡最大可能降低變壓器的隔離電容。例如我們?cè)O(shè)計(jì)的電源隔離電容低于10pF。
我們的加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)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(jì)足夠可靠，我們還需要建立完善的絕緣檢測(cè)系統(tǒng)來驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)的可靠性。
3 絕緣性能的檢測(cè)驗(yàn)證方案
下面介紹三種金升陽公司針對(duì)絕緣性能的檢測(cè)驗(yàn)證方案：
3.1 隔離耐壓測(cè)試
第一步：將測(cè)試部件的兩端的全部端子分別短接，以免懸空對(duì)元器件造成損害。如圖5所示。
第二步：按照耐壓的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)間。如圖6所示。
如果測(cè)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(cè)試NG，則測(cè)試儀報(bào)警。
隔離耐壓測(cè)試方法簡(jiǎn)單，只需要一臺(tái)普通的耐壓測(cè)試儀即可完成測(cè)試，如果絕緣系統(tǒng)遭到破壞，則耐壓測(cè)試儀可以很方便的監(jiān)測(cè)出來并報(bào)警。因此耐壓測(cè)試法大量被應(yīng)用于絕緣系統(tǒng)的絕緣特性檢測(cè)。但是它的缺點(diǎn)也顯而易見，如果絕緣系統(tǒng)存在瑕疵是無法檢測(cè)出來的，因此只能作為初步的絕緣檢測(cè)方案。
3.2 沖擊電壓測(cè)試
類似于圖5的連接方式，將耐壓測(cè)試儀更換為浪涌發(fā)生器，對(duì)絕緣待測(cè)物施加1.2μs /50μs標(biāo)準(zhǔn)浪涌波，實(shí)際測(cè)試電壓根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定，并判斷絕緣待測(cè)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(dāng)浪涌電壓撤銷后，對(duì)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(cè)試是一種相對(duì)猛烈的測(cè)試方法，是測(cè)試受試物對(duì)沖擊電壓的耐受能力，同耐壓測(cè)試法一樣是一種破壞性測(cè)試，也就是說，測(cè)試本身對(duì)于受試物有一定的損傷。
3.3 局部放電測(cè)試
我們知道耐壓測(cè)試、沖擊電壓測(cè)試都是一種破壞性測(cè)試，多次測(cè)試或者測(cè)試值接近絕緣系統(tǒng)臨界值都有可能導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)的損傷或損壞。但是受試后損傷的測(cè)試結(jié)果顯示，絕緣系統(tǒng)的漏電流不超標(biāo)，絕緣系統(tǒng)正常。這就存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此引入了局部放電測(cè)試方法。
局部放電測(cè)試是針對(duì)變頻器絕緣特性測(cè)試提出來的一種行之有效的方式，其與前兩種測(cè)試方案的區(qū)別在于，它可以檢測(cè)出絕緣系統(tǒng)微小的絕緣瑕疵，而且不會(huì)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(shí)間里測(cè)試殘余電荷量來判斷絕緣系統(tǒng)的性能。相對(duì)耐壓測(cè)試，是一種無損傷且高精度的絕緣檢測(cè)方法。以下簡(jiǎn)要介紹測(cè)試方法，測(cè)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(cè)試電壓UPD，局部放電電壓線性的增加到1.875倍UPD，并保持時(shí)間在5s以內(nèi)。例如變頻器工作電壓為400V AC，則測(cè)試UPD根據(jù)UL508的要求查表，如表1所示。得出測(cè)試電壓基準(zhǔn)為450V AC，第一階段測(cè)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(cè)試電壓為668V AC（參考黃色第二列），保持15s。
（3）在這個(gè)階段測(cè)試局部放電的電荷，如果測(cè)試的電荷低于10pC,則測(cè)試通過，如圖12和圖13所示，測(cè)試全過程殘余電荷低于2.5pC。反之，NG，如圖14所示，測(cè)試過程最高點(diǎn)達(dá)到175pC。
4 變頻器母線電壓監(jiān)測(cè)參考設(shè)計(jì)
針對(duì)圖1的變頻器框圖可以選擇的參考設(shè)計(jì)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(fù)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(jì)，如圖15所示，具體特點(diǎn)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(cè)試；
· 滿足UL的材料要求和高隔離耐壓（4242V DC）設(shè)計(jì)；
· 滿足480V AC工作電壓加強(qiáng)絕緣要求；
· 隔離電容低于10pF；
· 持續(xù)輸出短路保護(hù)。
5 結(jié)論
本文介紹了變頻器系統(tǒng)在母線電壓監(jiān)測(cè)上遇到的技術(shù)難題以及金升陽公司對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)絕緣解決方案。同時(shí)介紹了三種絕緣性能的檢測(cè)驗(yàn)證方法，最后推薦了加強(qiáng)絕緣系統(tǒng)的電源參考設(shè)計(jì)。希望對(duì)大家有所幫助。
【推薦閱讀】
