首页资源分类电源技术逆变电源 > 变频驱动及电源设计中的隔离技术

变频驱动及电源设计中的隔离技术

已有 445176个资源

下载专区

文档信息举报收藏

标    签:变频电源隔离电源设计

分    享:

文档简介

在电力电子设备上选用的元器件中,隔离器件是十分重要的器

件类型之一,尤其在高电压及大功率应用中不可或缺。以变频

驱动及电源设计为例,典型的隔离器件被用于功能性隔离和

安全隔离等功能电路,分别用于实现高压功率电路和低压控

制电路的隔离,以及控制电路及可能被人体触摸的接口电路

的隔离。

文档预览

Project Code: APM_ISO_VFD_2015 变频驱动及电源设计中 的隔离技术 应用简介 在电力电子设备上选用的元器件中,隔离器件是十分重要的器 件类型之一,尤其在高电压及大功率应用中不可或缺。以变频 驱动及电源设计为例,典型的隔离器件被用于功能性隔离和 安全隔离等功能电路,分别用于实现高压功率电路和低压控 制电路的隔离,以及控制电路及可能被人体触摸的接口电路 的隔离。 使用隔离器件的原因 之所以需要在变频驱动及电源设计中使用隔离电路,其原因主 要在于以下几方面: X 降低噪声干扰—现代的电力电子变换器主要依靠功率半导体 的PWM控制实现对输出电压及电流的控制。对于大功率应用 来说,功率器件开关动作产生的di/dt和dv/dt信号变化,经由 PCB布线的寄生参数或者其他电路的耦合通路,会在低压电 路信号中产生较高的噪声,干扰电路正常工作。通过引入隔 离器件,可以有效的分离功率电路和低压控制电路,减小控 制电路的噪声。 X 器件耐压要求—通常变频驱动及电源设备的主功率电路连接 到危险电压,比如典型的AC 220V/380V电路,经过整流后的 直流电压也高达540V以上,且电网或负载本身电气上也具有 很多不确定因素及异常工况,然而控制电路通常连接到安全 地电压,因此功率电路与住功率电路间需要隔离。 X 设备互联—这些设备通常还需要与其他控制器连接,形成网 络化控制,然而,这些网络中的设备可能并不连接在同一个 地电平上,如果没有隔离器件的存在,这些信号链路上的器 件可能因为不同的地电平之间的压差而损坏。另外,部分电 路可能存在浪涌和雷击的影响下(比如较长的通讯信号线和码 盘信号线等),这部分电路也应该与主要电路隔离开,从而保 护主要功能器件。 X 安规绝缘要求—电力电子设备的部分电路可能会和人体或导 电外壳接触,这部分电路应当处于安全电压并与危险电压电 路完全隔离开来以满足绝缘要求。比较典型的是设备的显 示、键盘或者通讯接口,这些地方需要使用满足安规绝缘要 求的隔离器件。 隔离电路的应用 典型的变频驱动及电源系统架构中,通常电路可以被划分为三 个部分,功率电路,控制电路,接口电路。由于这三部分电路 的接地、电压等级不同,安规要求也不同,因此他们之间通常 都需要使用隔离器件实现电气分离。 不同的应用需求下有不同的隔离方案,这主要取决于这几个 因素: X 功率电路的电压等级。 X 绝缘和安规标准要求(典型的标准,IEC61800-5-1,IEC62040-1-1, IEC 60747-5-5, VDE 0884-10, UL1577等)。 X 各个隔离部分选用器件的方案以及系统成本。 请访问:analog.com/cn 2 变频驱动及电源设计中的隔离技术 隔离系统框图 AC 380 V L-L Live Circuit 540 V Vdc LS LS LS Inverter 312 V Grounded Circuit COM Gate Drive PWM Serial Port idc TO ADC Isolation Motor Control I2C ADC Feedback Interface iV, iW U V AC Motor W Sensor θ, ω Isolated Current Feedback ADC Command Input I/F Network Isolation System and Communications 请访问:analog.com/cn 3 AC 380 V L-L 540 V Vdc LS LS LS Inverter 312 V Gate Drive idc TO COM Live Circuit ADC Command Input I/F Network PWM Serial Port Motor Control Safety Isolation Drive Command System and Communications Grounded Circuit ADC Feedback Interface iV, iW U V AC Motor W θ, ω Sensor Isolated Current Feedback 从系统架构设计的角度来看,尽可能减少需要隔离的信号通道 数,减少高绝缘等级器件的使用,降低成本,是设计的主要方 向,以下是几种典型的系统架构: X 功率电路、控制电路、接口电路之间均有隔离:功率电路和 控制电路之间采用隔离型功率半导体驱动芯片,隔离型的电 流电压检测等。控制电路和接口电路之间采用数字输入输出 信号的隔离芯片,隔离型的ADC和DAC芯片等 通常这种系统架构被用于具有较丰富接口的变频驱动及电源 系统,或是大功率设备。这些应用中功率电路和控制电路 之间的信号较为固定,主要包含PWM信号,电流电压反馈信 号,以及IO控制信号,故障反馈信号等。而控制电路包含的 接口电路较丰富,比如0 V至10 V,4 mA至20 mA模拟量输入输出 信号,0 V至24 V数字量输入输出信号,继电器控制,RS-232/ RS-485通讯,以太网,USB,CAN等,并且控制电路信号时常会 根据系统应用环境变化而更改设计或开发选配件。因此,在 功率电路、控制电路和接口电路之间分别设计隔离电路,一 方面可以降低成本,因为功率和控制部分之间通常只需要满 足功能绝缘要求且信号种类比较固定,而接口电路的隔离信 号数量通常较多较不确定,分成两个隔离层可以降低对隔离 器件的选型难度和成本;另一方面,对于大功率应用来说, 这样也保证了控制电路及接口电路不易受功率电路干扰。 此外,如果功率电路和控制电路之间的隔离已经满足了产品 对应的全部安规及绝缘耐压要求,那么控制电路和接口电路 之间可以省去隔离。出于成本或器件选型考虑,也可以通过 两层隔离电路的灵活组合达到双重绝缘的效果。 X 功率电路和控制电路共地,接口电路隔离设计:在小功率或 低压应用中,如果设备对外接口电路比较单一,可以使用功 率电路和控制电路共地的方案,这样可以省去一部分隔离电 路,虽然可能到时接口电路隔离等级要求增高,例如需要达 到加强绝缘,但总系统成本及电路复杂度相比两级隔离仍有 降低。 4 变频驱动及电源设计中的隔离技术 ADI在隔离应用中的优势及重要产品 X ADI的隔离技术iCoupler® iCoupler磁耦隔离发送信息是通过变压器来穿越隔离带,原 边电流变化引起变压器的次级侧的电流变化。隔离材料为聚 酰亚胺。20 μm的聚酰亚胺材料能在400 V rms等级下工作达50 年,浪涌等级大于6 kV,可满足VDE加强隔离要求。iCoupler磁 耦隔离产品的优势主要在于: • 高电压高温绝缘的可靠度iCoupler磁耦合隔离产品在400 V rms 的持续工作电压下能工作至少50年的时间,采用的是CMOS 工艺, 工作环境能够达到125ºC。 • 共模噪声抑制能力-能有高达100 kV/μs的抗共模瞬变抑制 能力,相比传统光耦器件,更适合电机、电源及逆变器 应用。 • 电磁干扰(EMI) CISPR 22 B 等级 • 抗高电压浪涌能力-能超过VDE V 0884-10加强绝缘所要求的 10 kV pk浪涌性能。 • 传输速率和效率-磁隔离具有150 Mbps传输速率,50 ns低传 输延迟,通道一致性好,且器件功耗低。 • 器件集成度-ADI磁隔离产品集成了多通道的隔离及其他功 能,能够从系统上降低体积和成本。并且还有集成了隔离 DCDC电源的隔离产品。 ADI提供基于iCoupler技术的通用数字信号隔离器件以及RS-232, RS-485,USB,CAN,SPI,I2C等通讯收发器、运放,ADC,驱动 器等一系列器件。 X 隔离电流及电压采样 ADI针对隔离的电流电压采样有多样的产品,基于Sigma-delta ADC技术的AD740x隔离式Σ-Δ调制器系列尤其适合用于变频驱 动或电源的输出电流采样。目前,系统设计人员更倾向于从 霍尔效应传感器改成使用分流电阻,将霍尔效应传感器替换 为分流电阻的系统设计人员往往会选择隔离式放大器,并继 续使用之前在基于霍尔效应传感器的设计中使用的模数转换 器(ADC)。这种情况下,无论模数转换性能如何,设计性能都 会受到隔离式放大器的限制。 将隔离式放大器和ADC替换为隔离式Σ-Δ调制器可消除性能瓶 颈,并大大改善设计,通常可将其从9到10位精度的反馈提 升到12位水平。此外,还可配置处理Σ-Δ调制器输出所需的 数字滤波器,以实现快速过流保护(OCP)环路,从而无需模拟 过流保护电路。 X IGBT/MOSFET功率半导体隔离驱动 IGBT/MOSFET功率半导体驱动电路是变频驱动及电源系统电 路的关键环节之一,为减少功率半导体开关损耗,缩短短路 保护时间,提高系统的可靠性,驱动电路需要具备更高的性 能。ADI公司的ADuM413x以及ADuM3223/ ADuM4223/ADuM7223 系列隔离驱动芯片具备仅仅50ns的驱动信号传输延迟,以及 高达100 kV/μs的CMTI指标。 Detect Data Levels Encode Data Levels Transfer Through Transformer Decode Carrier Reconstruct Data CMOS Top Metal Insulation High Input Low Input 主要产品 产品型号 描述 特性 优势 数字信号隔离 ADuM1100/ ADuM120x/ ADuM130x/ ADuM140x 1-4通道数字信号 隔离器 2.5 kV rms隔离,−40ºC至+125ºC,部分产品具有反向 传输通道 最高90 Mbps数据速率 ADuM14x 4通道数字信号隔离器 新一代产品,3.75 kV rms 隔离,−40ºC至+125ºC,部分产 品具有反向传输通道 CMTI 100 kV/μs,极低传输延迟(13 ns), 最高150 Mbps数据速率 隔离检测 AD7403 隔离式Σ-Δ ADC 20 MHz外部时钟,二阶调制器,16位无失码,失调漂 移:1.6 μV/°C (典型值),典型值88 dB SNR,片内集成数 字隔离,片内参考,830 V rms 隔离工作电压,−40ºC至 +125ºC 14位ENOB,±320 mV输入范围,UL1577, CSA60950,VDE0884-10认证 AD7401A 隔离式Σ-Δ ADC 20 MHz外部时钟,二阶调制器,16位无失码,失调漂 移:1 μV/ºC (典型值),典型值88 dB SNR,片内集成数字 隔离,片内参考,630 V rms 加强绝缘隔离工作电压, −40ºC至+125ºC 14位ENOB,±250mV输入范围,UL1577, CSA60950,VDE0884-10认证 请访问:analog.com/cn 5 产品型号 隔离驱动 ADuM4135 ADuM4223 通讯隔离 ADM3251E ADM2687E ADuM4160 ADM3054 ADuM4150 ADuM2250 隔离运放 ADuM4190 隔离电源 ADuM5000/ ADuM6000 描述 特性 优势 隔离型IGBT栅极驱动 隔离型MOSFET、IGBT 栅极驱动 4安培峰值驱动能力,500 V rms和1200 V dc工作电压, 50 ns传输延迟,原副边UVLO保护,Desat保护, −40ºC至+125ºC 故障软关断,米勒箝位,UL,CSA,VDE认证 4安培峰值驱动能力,高开关频率可达1 MHz,上下桥臂 隔离:537 V峰值和800 V峰值(差分输入),−40ºC至+125ºC 高低桥臂隔离,UL,CSA,VDE认证 隔离式RS-232收发器 隔离式RS-485/RS-422 收发器 隔离型USB收发器 隔离型CAN总线收 发器 隔离型SPI总线收发器 隔离型I2C总线收发器 460 kbps数据传输率,2.5 kV耐压 隔离的RS-232和集成式dc/dc转换器, ±15 kV ESD保护,UL,CSA,VDE认证 半双工或全双工,500 kbps数据传输率,5 kV耐压, 5 V或3.3 V工作电压 隔离的RS-485和集成式dc/dc转换器, ±15 kV ESD保护,具备失效保护功能 支持USB2.0,全速/慢速模式,5 kV耐压,5 V或3.3 V 工作电压 双向传输,具备短路保护功能 满足ISO11898标准,1Mbps数据传输率,5 kV耐压,5 V或 3.3 V工作电压 具备短路保护功能 支持最高40 MHz SPI时钟,5 kV耐压 具备时钟信号延迟补偿功能 支持1 MHZ时钟,双向通讯,5 kV耐压,5 V或3.3 V工作 电压 支持热插拔,UL,CSA认证 隔离误差放大器 5 kV耐压,400 kHz带宽,3 V至20 V电源,−40ºC至+125ºC 全温度范围1%精度 隔离型DCDC变换器 500 mW,400 mW,5 V或3.3 V输出,2.5 kV/5 kV耐压 过热保护,UL,CSA,VDE认证 参考设计和演示板 HV MPC平台 旋变器连接器 电机连接器 解码器连接器 HV MPC平台 电源连接器 Boston Engineering设计 www.boston-engineering.com。 ADI设计。 技术文章/应用笔记 X ADI数字隔离产品选型及设计资源指南— www.analog.com/ Digital_Isolator_Product_Selection_and_Resource_Guide.pdf X 电机驱动系统中的门极驱动和电流反馈信号隔离技术— www.analog.com/Gate-Drive-and-Current-Feedback-Signal-Isolationn-Industrial-Motor-Drives.pdf XX iCoupler隔离产品集成isoPower:使用微型变压器实现隔离的 信号和功率传输— www.analog.com/isoPower.pdf X 交流电机驱动系统中的数字隔离(MS-2488)—www.analog.com/ cn/ms-2488.pdf XX isoPower设备辐射控制推荐设计(AN-0971)—www.analog.com/ cn/an-0971.pdf XX iCoupler设备辐射控制推荐设计(AN-1109)—www.analog.com/cn/ an-1109.pdf X 降低ADM2582E/ADM2587E RS-485/RS-422收发器辐射影响的PCB 设计指导(AN-1349)— www.analog.com/an-1349.pdf XX iCoupler隔离技术在RS-485中的应用(AN-727)—www.analog.com/ cn/an-727.pdf XX iCoupler隔离技术在 RS-232中的应用(AN-740)—www.analog.com/ cn/an-740.pdf XX iCoupler隔离技术在CAN总线中的应用(AN-770)— www.analog. com/cn/an-770.pdf X I2C隔离接口(AN-913)—www.analog.com/cn/an-913.pdf Circuits from the Lab®实验室电路 实验室电路是经过特别设计和测试的子系统级构建模块,方便 设计人员轻松快捷地实现系统集成。 X 采用隔离式Σ-Δ型调制器、隔离式DC/DC转换器和有源滤波器 的新型模拟/模拟隔离器— www.analog.com/cn/cn-0185 X 采用隔离驱动器的H桥驱动电路—www.analog.com/cn/cn-0196 X USB HUB隔离电路—www.analog.com/cn/cn-0158 X 符合EMC要求的RS-485收发器保护电路— www.analog.com/cn/cn-0313 X 更多实验室电路请访问—www.analog.com/cn/circuits 更多信息请访问ADI电机控制网站 www.analog.com/cn/motorcontrol 中文技术论坛 ezchina.analog.com/welcome 亚洲技术支持中心 4006-100-006 模拟与其他线性产品 china.support@analog.com 嵌入式处理与DSP产品 processor.china@analog.com 免费样片申请 www.analog.com/cn/sample 在线购买 www.analog.com/cn/buy ADI在线技术论坛 ezchina.analog.com 网址 www.analog.com/cn/cic 全球总部 One Technology Way P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106 U.S.A. Tel: (1 781) 329 4700 Fax: (1 781) 461 3113 大中华区总部 上海市浦东新区张江高科技园区 祖冲之路 2290 号展想广场 5 楼 邮编 : 201203 电话 : (86 21) 2320 8000 传真 : (86 21) 2320 8222 深圳分公司 深圳市福田中心区 益田路与福华三路交汇处 深圳国际商会中心 4205-4210 室 邮编 : 518048 电话 : (86 755) 8202 3200 传真 : (86 755) 8202 3222 北京分公司 北京市海淀区 上地东路 5-2 号 京蒙高科大厦 5 层 邮编 : 100085 电话 : (86 10) 5987 1000 传真 : (86 10) 6298 3574 武汉分公司 湖北省武汉市东湖高新区 珞瑜路 889 号光谷国际广场 写字楼 B 座 2403-2405 室 邮编 : 430073 电话 : (86 27) 8715 9968 传真 : (86 27) 8715 9931 关注ADI官方微信 ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners Ahead of What’s Possible is a trademark of Analog Devices. BR13781sc-0-10/15 analog.com/cn

Top_arrow
回到顶部
EEWORLD下载中心所有资源均来自网友分享,如有侵权,请发送举报邮件到客服邮箱bbs_service@eeworld.com.cn 或通过站内短信息或QQ:273568022联系管理员 高进,我们会尽快处理。