DC/DC加強絕緣方案解決變頻器母線電壓監測難題

　　摘要：變頻器廣泛應用於工業運動控制，電力，新能源，電梯，空調，機械製造等行業，它通過對工作頻率的控制和改變，讓設備運行的更加高效節能，從而得以大量應用。由於變頻器中的電力電子器件例如IGBT快速的開關導致的dv/dt幹擾，使得變頻器母線電壓監測問題變得非常困難，本文主要針對這一問題進行分析，並提出解決方案。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/280878.htm

　　關鍵詞：變頻器;加強絕緣;母線電壓監測;局部放電測試;衝擊電壓測試

　　1 變頻器母線電壓監測上的設計難題

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

　　與此類似，為了精準的控制母線電壓，我們也需要實時監控母線電壓、電流信號，但是從電壓母線側到控制系統存在一個非常高的電勢差，極易導致控制系統的失效。我們也需要一個類似IGBT驅動系統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所示採樣IC在採集母線電壓時，處於高電壓側的採樣系統與處於低壓安全電壓側的控制系統之間存在極大的共模電勢差，加上IGBT系統工作時引入的開關尖峰，這個電勢差高達幾kV。因此信號的隔離我們採用滿足UL的37.5kV AC隔離耐壓等級的光耦來實現，同時我們需要為之配套一款滿足UL隔離耐壓不低於2.5kV AC的DC/DC電源模塊。值得注意的是，高電壓側是位於DC/DC的輸出端，這種應用具有一些特別的隱性技術需求，會給設計帶來難題。

　　

 

　　傳統的DC-DC一般作為電源系統的二次電源，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、電壓轉換等作用，此時的一次側交流電壓的幹擾經過了AC-DC的隔離，再經過DC-DC二次隔離，對於控制系統來說，電壓是非常穩定了，因此不存在如上的問題。其系統架構如圖2所示，DC/DC的輸入和輸出都處於SELV低壓安全電路中。

　　

 

　　如圖1所示結構，DC-DC應用於監測高電壓的話，其輸出端與母線電壓的負端直接相連，那麼DC-DC輸出側就要同時面對輸入和輸出的高電勢差和IGBT系統高電壓變化率dv/dt帶來的共模幹擾，如何隔離這兩種幹擾，讓其不影響控制系統的正常工作成為了設計上的難題。那麼，這種設計難題又將如何解決呢?

　　2 加強絕緣設計方案

　　我們知道圖2中的AC-DC本身採用的是一種加強絕緣設計，因此，我們必須考慮在圖2的DC-DC部分採用類似的設計來增強絕緣性能。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於等於6.4mm。另外一方面，變壓器和PCB的設計工藝也大不相同。

　　

 

　　以上的設計方案可以提升對高電勢差的絕緣效果。但是對於高電壓變化率抗幹擾設計，我們得考慮另外一個重要的設計要求—低隔離電容。

　　高電壓變化率引起的幹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，我們這裡已經選定了信號光耦，所以我們只關注DC/DC的設計。DC/DC內部的幹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內部的反饋迴路器件光耦的寄生電容和為提升EMI效果而增加的安規Y電容。三者的疊加值越大，高頻幹擾信號就越容易通過隔離柵進入控制系統，引起控制系統的工作異常。因此我們設計此類電源時，其一取消安規Y電容，其二選擇沒有光耦的Royer拓撲，將後兩者因素降至0，同時採用降低隔離電容的變壓器設計方案，如圖4，盡最大可能降低變壓器的隔離電容。例如我們設計的電源隔離電容低於10pF。

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

　　3 絕緣性能的檢測驗證方案

　　下面介紹三種金昇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，將耐壓值調至設定的最高耐壓並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、無飛弧現象，且漏電流符合少於設定值(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，如果絕緣系統遭到破壞，則耐壓測試儀可以很方便的監測出來並報警。因此耐壓測試法大量被應用於絕緣系統的絕緣特性檢測。但是它的缺點也顯而易見，如果絕緣系統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 衝擊電壓測試

　　類似於圖5的連接方式，將耐壓測試儀更換為浪湧發生器，對絕緣待測物施加1.2μs /50μs標準浪湧波，實際測試電壓根據系統要求設定，並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採集衝擊電壓波形，如圖9和圖10。當浪湧電壓撤銷後，對產品上電並帶載，產品工作正常，則通過;否則，NG。衝擊電壓測試是一種相對猛烈的測試方法，是測試受試物對衝擊電壓的耐受能力，同耐壓測試法一樣是一種破壞性測試，也就是說，測試本身對於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、衝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臨界值都有可能導致絕緣系統的損傷或損壞。但是受試後損傷的測試結果顯示，絕緣系統的漏電流不超標，絕緣系統正常。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別在於，它可以檢測出絕緣系統微小的絕緣瑕疵，而且不會損傷絕緣本體。

　　具體方案是通過給絕緣系統施加一定的電壓，並在一定的時間裡測試殘餘電荷量來判斷絕緣系統的性能。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，並保持時間在5s以內。例如變頻器工作電壓為400V AC，則測試UPD根據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)然後將電壓線性降低到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，如果測試的電荷低於10pC,則測試通過，如圖12和圖13所示，測試全過程殘餘電荷低於2.5pC。反之，NG，如圖14所示，測試過程最高點達到175pC。

　　

 

　　

 

　　4 變頻器母線電壓監測參考設計

　　針對圖1的變頻器框圖可以選擇的參考設計為金昇陽公司的H2409S-2W-GM，輸出端可以直接和整流橋後的母線負端連接，輸入端連接24V SELV安全低壓電路，並和5V控制器共地。該電源是基於變頻器的隱性技術需求設計，如圖15所示，具體特點如下：

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

　　· 滿足UL的材料要求和高隔離耐壓(4242V DC)設計;

　　· 滿足480V AC工作電壓加強絕緣要求;

　　· 隔離電容低於10pF;

　　· 持續輸出短路保護。

　　

 

　　5 結論

　　本文介紹了變頻器系統在母線電壓監測上遇到的技術難題以及金昇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，最後推薦了加強絕緣系統的電源參考設計。希望對大家有所幫助。

　　參考文獻：

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