DC/DC加強絕緣方案解決變頻器母線電壓監測難題

    摘要：變頻器廣泛應用于工業運動控制，電力，新能源，電梯，空調，機械制造等行業，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。由于變頻器中的電力電子器件例如IGBT快速的開關導致的dv/dt干擾，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，并提出解決方案。

    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所示采樣IC在采集母線電壓時，處于高電壓側的采樣系統與處于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采用滿足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隔離耐壓不低于2.5kV AC的DC/DC電源模塊。值得注意的是，高電壓側是位于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干擾經過了AC-DC的隔離，再經過DC-DC二次隔離，對于控制系統來說，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的輸入和輸出都處于SELV低壓安全電路中。

    如圖1所示結構，DC-DC應用于監測高電壓的話，其輸出端與母線電壓的負端直接相連，那么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帶來的共模干擾，如何隔離這兩種干擾，讓其不影響控制系統的正常工作成為了設計上的難題。那么，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本身采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部分采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于等于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。但是對于高電壓變化率抗干擾設計，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干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，我們這里已經選定了信號光耦，所以我們只關注DC/DC的設計。DC/DC內部的干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內部的反饋回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，高頻干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，將后兩者因素降至0，同時采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于10pF。

    我們的加強絕緣設計方案出來后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

    下面介紹三種金升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并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，且漏電流符合少于設定值（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并報警。因此耐壓測試法大量被應用于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。