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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(guò)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(kāi)關(guān)導(dǎo)致的dv/dt干擾，使得變頻器母線(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)問(wèn)題變得非常困難，本文主要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決方案
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所屬類(lèi)別：
(不超過(guò)20項(xiàng))
電源產(chǎn)品分類(lèi)
：
UPS電源
穩(wěn)壓電源
EPS電源
變頻電源
凈化電源
特種電源
發(fā)電機(jī)組
開(kāi)關(guān)電源(AC/DC)
逆變電源(DC/AC)
模塊電源(DC/DC)
電源應(yīng)用分類(lèi)
：
通信電源
電力電源
車(chē)載電源
軍工電源
航空航天電源
工控電源
PC電源
LED電源
電鍍電源
焊接電源
加熱電源
醫(yī)療電源
家電電源
便攜式電源
充電機(jī)(器)
勵(lì)磁電源
電源配套分類(lèi)
：
功率器件
防雷浪涌
測(cè)試儀器
電磁兼容
電源IC
電池/蓄電池
電池檢測(cè)
變壓器
傳感器
軸流風(fēng)機(jī)
電子元件
連接器及端子
散熱器
電解電容
PCB/輔助材料
新能源分類(lèi)
：
太陽(yáng)能(光伏發(fā)電)
風(fēng)能發(fā)電
潮汐發(fā)電
水利發(fā)電
燃料電池
其他類(lèi)
：
其他
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內(nèi) 容：
<P> <STRONG>摘要：</STRONG>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(guò)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(kāi)關(guān)導(dǎo)致的dv/dt干擾，使得變頻器母線(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)問(wèn)題變得非常困難，本文主要針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決方案。 </P> <P> <STRONG>1 變頻器母線(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)上的設(shè)計(jì)難題</STRONG> </P> <P> 變頻器通過(guò)控制IGBT等電力電子器件的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)工作頻率的改變，因?yàn)閷?shí)際工作母線(xiàn)電壓一般較高，開(kāi)關(guān)速度較快，因此具有極大的dV/dt,例如10.5kV的母線(xiàn)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。 </P> <P> 與此類(lèi)似，為了精準(zhǔn)的控制母線(xiàn)電壓，我們也需要實(shí)時(shí)監(jiān)控母線(xiàn)電壓、電流信號(hào)，但是從電壓母線(xiàn)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(lèi)似IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一樣的高效隔離方案解決以上問(wèn)題，即加強(qiáng)絕緣方案。讓我們來(lái)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。 </P> <P> 如圖1所示采樣IC在采集母線(xiàn)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(kāi)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(mǎn)足UL的37.5kV AC隔離耐壓等級(jí)的光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)我們需要為之配套一款滿(mǎn)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(lái)難題。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090655807.jpg" border=0></P> <P> 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(guò)了AC-DC的隔離，再經(jīng)過(guò)DC-DC二次隔離，對(duì)于控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電壓是非常穩(wěn)定了，因此不存在如上的問(wèn)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。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090712764.jpg" border=0></P> <P> 如圖1所示結(jié)構(gòu)，DC-DC應(yīng)用于監(jiān)測(cè)高電壓的話(huà)，其輸出端與母線(xiàn)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(lái)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？ </P> <P> <STRONG>2 加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)方案 </STRONG></P> <P> 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(lèi)似的設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)絕緣性能。首先變壓器的絕緣線(xiàn)不能選擇普通的漆包線(xiàn)，而是三層絕緣線(xiàn)。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(lái)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。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090731737.jpg" border=0></P> <P> 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。 </P> <P> 高電壓變化率引起的干擾信號(hào)會(huì)通過(guò)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(guò)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(lèi)電源時(shí)，其一取消安規(guī)Y電容，其二選擇沒(méi)有光耦的Royer拓?fù)�，將后兩者因素降�?，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。 </P> <P> 我們的加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)方案出來(lái)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(lái)驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)的可靠性。 </P> <P> <STRONG>3 絕緣性能的檢測(cè)驗(yàn)證方案 </STRONG></P> <P> 下面介紹三種金升陽(yáng)公司針對(duì)絕緣性能的檢測(cè)驗(yàn)證方案： </P> <P> <STRONG>3.1 隔離耐壓測(cè)試</STRONG> </P> <P> 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。 </P> <P> 第二步：按照耐壓的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將耐壓值從0V開(kāi)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。</P> <P> 如果測(cè)試無(wú)擊穿、無(wú)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。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090749255.jpg" border=0></P> <P> 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(lái)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(jiàn)，如果絕緣系統(tǒng)存在瑕疵是無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的，因此只能作為初步的絕緣檢測(cè)方案。 {$page$}</P> <P> <STRONG>3.2 沖擊電壓測(cè)試 </STRONG></P> <P> 類(lèi)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。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090810139.jpg" border=0></P> <P> 我們可以通過(guò)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(xiāo)后，對(duì)產(chǎn)品上電并帶載，產(chǎn)品工作正常，則通過(guò)；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(shuō)，測(cè)試本身對(duì)于受試物有一定的損傷。</P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090825863.jpg" border=0></P> <P> <STRONG>3.3 局部放電測(cè)試 </STRONG></P> <P> 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。 </P> <P> 局部放電測(cè)試是針對(duì)變頻器絕緣特性測(cè)試提出來(lái)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。 </P> <P> 具體方案是通過(guò)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(lái)判斷絕緣系統(tǒng)的性能。相對(duì)耐壓測(cè)試，是一種無(wú)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(guò)程如圖11所示。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090843323.jpg" border=0></P> <P> （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(xiàn)性的增加到1.875倍UPD，并保持時(shí)間在5s以?xún)?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)。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090900221.jpg" border=0></P> <P> （2）然后將電壓線(xiàn)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。 </P> <P> （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(guò)，如圖12和圖13所示，測(cè)試全過(guò)程殘余電荷低于2.5pC。反之，NG，如圖14所示，測(cè)試過(guò)程最高點(diǎn)達(dá)到175pC。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090929582.jpg" border=0></P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930090941147.jpg" border=0></P> <P> <STRONG>4 變頻器母線(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)參考設(shè)計(jì) </STRONG></P> <P> 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(yáng)公司的H2409S-2W-GM，輸出端可以直接和整流橋后的母線(xiàn)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： </P> <P> · 滿(mǎn)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； </P> <P> · 滿(mǎn)足UL的材料要求和高隔離耐壓（4242V DC）設(shè)計(jì)； </P> <P> · 滿(mǎn)足480V AC工作電壓加強(qiáng)絕緣要求； </P> <P> · 隔離電容低于10pF； </P> <P> · 持續(xù)輸出短路保護(hù)。 </P> <P align=center><IMG src="/uploadfile/newspic/20150930091000288.jpg" border=0></P> <P> <STRONG>5 結(jié)論 </STRONG></P> <P> 本文介紹了變頻器系統(tǒng)在母線(xiàn)電壓監(jiān)測(cè)上遇到的技術(shù)難題以及金升陽(yáng)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。 </P> <P> <STRONG>參考文獻(xiàn)： </STRONG></P> <P> [1] 國(guó)際電工委 IEC/EN 60950-1[S]. </P> <P> [2] 國(guó)際電工委IEC/EN61000-4-5[S]. </P> <P> [3] 美國(guó)保險(xiǎn)商試驗(yàn)所（Underwriter Laboratories Inc.）UL508[Z]. </P> <P> [4] 金升陽(yáng). 企業(yè)測(cè)試規(guī)范 耐壓測(cè)試方法[Z]. </P> <P> [5] 金升陽(yáng). DC_DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)手冊(cè) H2409S-2W-GM[Z]. </P> <P> [6] 金升陽(yáng). DC_DC電源模塊應(yīng)用指南[Z].</P>