了解工业驱动器的隔离要求

隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响，功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器；检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器；以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因，还是为了优化性能，都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑，但它也存在缺点：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案，多年来，它是系统隔离的最佳选择。

为什么我们要开发隔离的硬件？我们可以将敏感测量与嘈杂的电源域隔离，以提高精度，降低共模噪声，但出于安全考虑可能不需要隔离。我们称之为功能隔离。

隔离的最明显原因是防止触电的安全方面。系统必须确保免受危险电压的影响。如果这些电压存在于系统中，则必须进行隔离。

有两个级别的隔离：

· 具有基本隔离的系统提供单级隔离和基本的电击保护。

· 具有双重隔离的系统由两个独立的基本绝缘层组成。除了基本绝缘外，还增加了另一个独立的绝缘，以确保在基本绝缘失效的情况下防止触电。

具有加强绝缘的系统提供了一个单一绝缘系统，该系统在相应标准规定的条件下提供相当于双重绝缘的电击保护程度。

对于变速驱动器，相关标准是 IEC 61800-5-1。相应的半导体级标准是例如用于光隔离器的 IEC 60747-5-5 和用于电容/磁隔离器的 VDE0884-10/11 和 IEC 60747-17 的草案版本。指定的关键参数是什么？IEC 61800-5-1 规定了高压和导电部件/设备表面之间所需的绝缘等级，具体如下：

· 瞬态过电压（对应于 VIOTM）

· 浪涌电压（对应VSURGE）

· 爬电距离

· 清除

这取决于：

· 需要基本或加强隔离

· 系统电压

· 工作电压（对应VIORM）

· 过电压类别

· 污染程度

· 包装材料

表 1 显示了隔离术语的概述。

表 1：隔离术语

让我们看一个工业驱动器的三相交流逆变器的硬件设计示例。逆变器由直流母线供电，直流电源通常是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从交流电源产生。在大部分工业应用中，直流母线电压在300 V至1000 V范围内。采用脉宽调制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型频率切换功率晶体管T1至T6，从而在电机端子上产生可变电压、可变频率的三相正弦交流电压。交流逆变器通常由三相交流电网供电。三相交流电的幅度通常指定直流母线电压。为了将微控制器与功率级隔离，使用了隔离式 IGBT 栅极驱动器以及隔离式相电流和电压传感器。

我们如何从交流或直流输入电压中检索隔离电压要求？

IEC61800-5-1 规定了基于系统电压的临时过电压、冲击浪涌电压、最小间隙和爬电距离等相应的电气参数，用于基于系统电压以及其他参数，如类别、污染程度和海拔高度。符合 IEC61800-3 的相关系统电压例如为 300V、600V 和 1000V。供应商规定的系统电压不得低于相关的 IEC61800-3 电压。

例如，对于指定为 830Vrms 的系统，IEC61800-5-1 对 1000Vrms 的要求将是有效的。60 秒内可承受的最大正弦峰值电压为 6.2kVpk，最大浪涌电压为 12kVpk，最大峰值工作电压为 830Vrms。对于通过 IEC61800-5-1 的系统，增强或基本隔离的临时峰值和浪涌电压取决于系统电压。请注意，对于半导体隔离器，相关组件标准要求具有增强隔离的隔离器至少通过 10kV 浪涌。

我们如何选择合适的半导体以及满足隔离要求的硬件设计注意事项是什么？用于三相逆变器系统参考设计的 隔离式 IGBT 栅极驱动器评估平台是用于三相逆变器系统的增强型隔离式 IGBT 栅极驱动器评估平台的一个很好的例子。该设计支持高达 1500Vrms 的工作电压。该设计已使用高达 22kW 的电机进行测试，超过 IEC61800-3 电源接口的 EMC 抗扰度，具有 8kV ESD 接触放电和 4kV EFT 所需电压水平的两倍。