变频驱动及电源设计中的隔离技术

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 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。 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 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 的隔离。 使用隔离器件的原因 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 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 求的隔离器件。 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 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。 离器件，可以有效的分离功率电路和低压控制电路，减小控 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 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 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。 2 变频驱动及电源设计中的隔离技术 隔离系统框图 Live Circuit 540 V Vdc Inverter AC 380 V L-L LS LS LS 312 V Gate Drive idc TO ADC Isolation U V W AC Motor iV, iW Sensor θ, ω PWM Serial Port Motor Control I2C ADC Feedback Interface Isolated Current Feedback Isolation I/F System and Communications Grounded Circuit COM ADC Command Input Network 请访问：analog.com/cn 3 540 V Vdc Inverter AC 380 V L-L LS LS LS Gate Drive PWM Serial Port 312 V COM Live Circuit U V W AC Motor iV, iW θ, ω Sensor idc TO Motor Control Isolated Current Feedback ADC Feedback Interface ADC Command Input Network Safety Isolation Drive Command I/F System and Communications Grounded Circuit 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 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 数，减少高绝缘等级器件的使用，降低成本，是设计的主要方 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 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 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 描述 特性 优势 产品型号 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 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：1.6 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 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，±320 mV输入范围，UL1577， CSA60950，VDE0884-10认证 14位ENOB，±250mV输入范围，UL1577， CSA60950，VDE0884-10认证 产品型号 隔离驱动 描述 特性 优势 请访问：analog.com/cn 5 ADuM4135 隔离型IGBT栅极驱动 ADuM4223 隔离型MOSFET、IGBT 栅极驱动 通讯隔离 4安培峰值驱动能力，500 V rms和1200 V dc工作电压， −40ºC至+125ºC 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 50 ns传输延迟，原副边UVLO保护，Desat保护， 故障软关断，米勒箝位，UL，CSA，VDE认证 ADM3251E 隔离式RS-232收发器 460 kbps数据传输率，2.5 kV耐压 ADM2687E 隔离式RS-485/RS-422 收发器 ADuM4160 隔离型USB收发器 ADM3054 隔离型CAN总线收 发器 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 支持USB2.0，全速/慢速模式，5 kV耐压，5 V或3.3 V 工作电压 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 ADuM4150 隔离型SPI总线收发器 支持最高40 MHz SPI时钟，5 kV耐压 ADuM2250 隔离型I2C总线收发器 支持1 MHZ时钟，双向通讯，5 kV耐压，5 V或3.3 V工作 电压 隔离的RS-232和集成式dc/dc转换器， ±15 kV ESD保护，UL，CSA，VDE认证 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 双向传输，具备短路保护功能 具备短路保护功能 具备时钟信号延迟补偿功能 支持热插拔，UL，CSA认证 隔离运放 ADuM4190 隔离误差放大器 隔离电源 ADuM5000/ ADuM6000 隔离型DCDC变换器 参考设计和演示板 HV MPC平台 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 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 HV MPC平台 旋变器连接器 电机连接器 解码器连接器 Boston Engineering设计 www.boston-engineering.com。 ADI设计。 电源连接器 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-Isolation- n-Industrial-Motor-Drives.pdf X 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 X isoPower设备辐射控制推荐设计(AN-0971)— www.analog.com/ cn/an-0971.pdf X 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 X iCoupler隔离技术在RS-485中的应用(AN-727)— www.analog.com/ cn/an-727.pdf X iCoupler隔离技术在 RS-232中的应用(AN-740)— www.analog.com/ cn/an-740.pdf