變頻驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)計(jì)中的隔離技術(shù)

1、ANALOG DEVICES 贛越一切可能皿Project Code: APMSO_VFD_2015變頻驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)計(jì)中 的隔離技術(shù)應(yīng)用簡介在電力電子設(shè)備上選用的元器件中，隔離器件是十分重要的器 件類型之一，尤其在高電壓及大功率應(yīng)用中不可或缺。以變頻 驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)計(jì)為例，典型的隔離器件被用于功能性隔離和 安全隔離等功能電路，分別用于實(shí)現(xiàn)高壓功率電路和低壓控 制電路的隔離，以及控制電路及可能被人體觸摸的接口電路 的隔離。使用隔離器件的原因之所以需要在變頻驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)計(jì)中使用隔離電路，其原因主 要在于以下幾方面：X降低噪聲干擾一現(xiàn)代的電力電子變換器主要依靠功率半導(dǎo)體 的PWM空制實(shí)現(xiàn)對輸出電壓及電

2、流的控制。對于大功率應(yīng)用 來說，功率器件開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的di/dt和dv/dt信號變化，經(jīng)由PCE布線的寄生參數(shù)或者其他電路的耦合通路，會(huì)在低壓電 路信號中產(chǎn)生較高的噪聲，干擾電路正常工作。通過引入隔 離器件，可以有效的分離功率電路和低壓控制電路，減小控 制電路的噪聲。X器件耐壓要求一通常變頻驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)備的主功率電路連接 到危險(xiǎn)電壓，比如典型的 AC 220V/380V電路，經(jīng)過整流后的 直流電壓也高達(dá)540V以上，且電網(wǎng)或負(fù)載本身電氣上也具有 很多不確定因素及異常工況，然而控制電路通常連接到安全 地電壓，因此功率電路與住功率電路間需要隔離。X設(shè)備互聯(lián)一這些設(shè)備通常還需要與其他控制器連接，形成

3、網(wǎng) 絡(luò)化控制，然而，這些網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可能并不連接在同一個(gè)地電平上，如果沒有隔離器件的存在，這些信號鏈路上的器件可能因?yàn)椴煌牡仉娖街g的壓差而損壞。另外，部分電 路可能存在浪涌和雷擊的影響下（比如較長的通訊信號線和碼 盤信號線等），這部分電路也應(yīng)該與主要電路隔離開，從而保 護(hù)主要功能器件。X安規(guī)絕緣要求一電力電子設(shè)備的部分電路可能會(huì)和人體或?qū)щ娡鈿そ佑|，這部分電路應(yīng)當(dāng)處于安全電壓并與危險(xiǎn)電壓電 路完全隔離開來以滿足絕緣要求。比較典型的是設(shè)備的顯 示、鍵盤或者通訊接口，這些地方需要使用滿足安規(guī)絕緣要 求的隔離器件。隔離電路的應(yīng)用典型的變頻驅(qū)動(dòng)及電源系統(tǒng)架構(gòu)中，通常電路可以被劃分為三 個(gè)部分，功率

4、電路，控制電路，接口電路。由于這三部分電路 的接地、電壓等級不同，安規(guī)要求也不同，因此他們之間通常 都需要使用隔離器件實(shí)現(xiàn)電氣分離。不同的應(yīng)用需求下有不同的隔離方案，這主要取決于這幾個(gè) 因素：X功率電路的電壓等級。X絕緣和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求（典型的標(biāo)準(zhǔn)，IEC61800-5-1, IEC62040-1-1, IEC 60747-5-5, VDE 0884-10, UL15等）。X各個(gè)隔離部分選用器件的方案以及系統(tǒng)成本。請?jiān)L問：2變頻驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)計(jì)中的隔離技術(shù)隔離系統(tǒng)框圖SensorACMotor請?jiān)L問： LSPWMwvWVi(*dcMotorCon trolCOMCOMSerialSafety Is

5、olati onlx%1 Drive Comma ndI/F System and Comm uni catio ns從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看，盡可能減少需要隔離的信號通道 數(shù)，減少高絕緣等級器件的使用，降低成本，是設(shè)計(jì)的主要方 向，以下是幾種典型的系統(tǒng)架構(gòu)：X功率電路、控制電路、接口電路之間均有隔離：功率電路和 控制電路之間采用隔離型功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)芯片，隔離型的電 流電壓檢測等。控制電路和接口電路之間采用數(shù)字輸入輸岀 信號的隔離芯片，隔離型的 ADC和DAC芯片等通常這種系統(tǒng)架構(gòu)被用于具有較豐富接口的變頻驅(qū)動(dòng)及電源 系統(tǒng)，或是大功率設(shè)備。這些應(yīng)用中功率電路和控制電路 之間的信號較為固定，主要

6、包含PWM言號，電流電壓反饋信號，以及IO控制信號，故障反饋信號等。而控制電路包含的 接口電路較豐富，比如0 V至 10 V 4 mA至20 mA模擬量輸入輸出 信號，0 V至 24 V數(shù)字量輸入輸出信號，繼電器控制，RS-232/RS-485通訊，以太網(wǎng)，USB,CA等，并且控制電路信號時(shí)常會(huì) 根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境變化而更改設(shè)計(jì)或開發(fā)選配件。因此，在 功率電路、控制電路和接口電路之間分別設(shè)計(jì)隔離電路，一 方面可以降低成本，因?yàn)楣β屎涂刂撇糠种g通常只需要滿 足功能絕緣要求且信號種類比較固定，而接口電路的隔離信 號數(shù)量通常較多較不確定，分成兩個(gè)隔離層可以降低對隔離 器件的選型難度和成本；另一方面，

7、對于大功率應(yīng)用來說， 這樣也保證了控制電路及接口電路不易受功率電路干擾。此外，如果功率電路和控制電路之間的隔離已經(jīng)滿足了產(chǎn)品 對應(yīng)的全部安規(guī)及絕緣耐壓要求，那么控制電路和接口電路 之間可以省去隔離。岀于成本或器件選型考慮，也可以通過 兩層隔離電路的靈活組合達(dá)到雙重絕緣的效果。X功率電路和控制電路共地，接口電路隔離設(shè)計(jì)：在小功率或 低壓應(yīng)用中，如果設(shè)備對外接口電路比較單一，可以使用功 率電路和控制電路共地的方案，這樣可以省去一部分隔離電 路，雖然可能到時(shí)接口電路隔離等級要求增高，例如需要達(dá) 到加強(qiáng)絕緣，但總系統(tǒng)成本及電路復(fù)雜度相比兩級隔離仍有 降低。4變頻驅(qū)動(dòng)及電源設(shè)計(jì)中的隔離技術(shù)cn/ms-2

8、488.pdfcn/an-740.pdfcn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfAD在隔離應(yīng)用中的優(yōu)勢及重要產(chǎn)品X AD的隔離技術(shù)i CouplerRS-485，USB CAN SPI, l2C等通訊收發(fā)器、運(yùn)放，ADC,驅(qū)動(dòng)器等一系列器件。cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfi Coupler磁耦隔離發(fā)送信息是通過變壓器來穿越隔離帶，原 邊電流變化引起變壓器的次級側(cè)的電流變化。隔離材料為聚 酰亞胺。20 的聚酰亞胺材料能在400 V rms等級下工作達(dá)50 年，浪涌等級大于6 kV,可滿足VDEm強(qiáng)隔離要求。iCouple磁 耦隔離產(chǎn)品的優(yōu)勢主要在于：X隔離電

9、流及電壓采樣ADI針對隔離的電流電壓采樣有多樣的產(chǎn)品，基于Sigma-deltaADC技術(shù)的AD740隔離式工-調(diào)制器系列尤其適合用于變頻驅(qū) 動(dòng)或電源的輸岀電流采樣。目前，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更傾向于從 霍爾效應(yīng)傳感器改成使用分流電阻，將霍爾效應(yīng)傳感器替換cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdf?高電壓高溫絕緣的可靠度iCouple磁耦合隔離產(chǎn)品在400 V rms 的持續(xù)工作電壓下能工作至少 50年的時(shí)間，采用的是CMOS 工藝,工作環(huán)境能夠達(dá)到125oC?共模噪聲抑制能力-能有高達(dá)100 kV/gS的抗共模瞬變抑制 能力，相比傳統(tǒng)光耦器件，更適合電機(jī)、電源及逆變器 應(yīng)用。?電磁干擾(

10、EM) CISPR 22等級?抗高電壓浪涌能力-能超過VDE V 0884-1加強(qiáng)絕緣所要求的10 kV plk良涌性能。?傳輸速率和效率-磁隔離具有150 MbpS專輸速率，50 nS氐傳 輸延遲，通道一致性好，且器件功耗低。?器件集成度-ADI磁隔離產(chǎn)品集成了多通道的隔離及其他功 能,能夠從系統(tǒng)上降低體積和成本。并且還有集成了隔離 DCDCI源的隔離產(chǎn)品。為分流電阻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往會(huì)選擇隔離式放大器，并繼 續(xù)使用之前在基于霍爾效應(yīng)傳感器的設(shè)計(jì)中使用的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器(ADC)。這種情況下，無論模數(shù)轉(zhuǎn)換性能如何，設(shè)計(jì)性能都 會(huì)受到隔離式放大器的限制。將隔離式放大器和ADC替換為隔離式2 -調(diào)制

11、器可消除性能瓶 頸，并大大改善設(shè)計(jì)，通常可將其從 9到10位精度的反饋提 升到12位水平。此外，還可配置處理 2-Z調(diào)制器輸岀所需的 數(shù)字濾波器，以實(shí)現(xiàn)快速過流保護(hù) (OCP環(huán)路，從而無需模擬 過流保護(hù)電路。X IGBT/MOSFE功率半導(dǎo)體隔離驅(qū)動(dòng)IGBT/MOSFET功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路是變頻驅(qū)動(dòng)及電源系統(tǒng)電 路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，為減少功率半導(dǎo)體開關(guān)損耗，縮短短路 保護(hù)時(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性，驅(qū)動(dòng)電路需要具備更高的性 能。ADI公司的 ADuM413x以及 ADuM3223/ADuM4223/ADuM7223 系列隔離驅(qū)動(dòng)芯片具備僅僅50ns的驅(qū)動(dòng)信號傳輸延遲，以及cn/ms-2488.pdf

12、cn/an-740.pdf高達(dá)100 kV/Q的CMT指標(biāo)。AD提供基于iCouple技術(shù)的通用數(shù)字信號隔離器件以及RS-232,cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfcn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfEn code Data LevelsTran sferThrough TransformerDecodeCarrierRecon struct DataDetect DataLevels二 AHTCMOS Top Metalnir_w_In sulati onLow In putcn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfcn/ms-2488.pd

13、fcn/an-740.pdf主要產(chǎn)品產(chǎn)品型號描述特性優(yōu)勢數(shù)字信號隔離ADuM1100ADuM120XADuM130XADuM140x1-4通道數(shù)字信號 隔離器2.5 kV rm隔離，-40oC至+125oC部分產(chǎn)品具有反向 傳輸通道最高90 Mbp 數(shù)據(jù)速率ADuM14x4通道數(shù)字信號隔離器新一代產(chǎn)品，3.75 kV rms隔離，-40oC至+125oC部分產(chǎn) 品具有反向傳輸通道CMTI 100 kV/s,極低傳輸延遲(13 ns), 最高150 Mbp數(shù)據(jù)速率隔離檢測AD7403隔離式2 - ADC20 MH外部時(shí)鐘，二階調(diào)制器，16位無失碼，失調(diào)漂 移：1.6 MC典型值)，典型值88 d

14、B SNR片內(nèi)集成數(shù) 字隔離，片內(nèi)參考，830 V rms隔離工作電壓，-40oC至 +125oC14位ENOB ±320 m輸入范圍，UL1577 CSA60950 VDE0884-1認(rèn)證AD7401A隔離式2 -盤DC20 MH外部時(shí)鐘，二階調(diào)制器，16位無失碼，失調(diào)漂 移：1 g/oC典型值)，典型值88 dB SNR片內(nèi)集成數(shù)字 隔離，片內(nèi)參考，630 V rms加強(qiáng)絕緣隔離工作電壓， -40oC至+125oC14位ENOB ±250mV輸入范圍，UL1577； CSA60950 VDE0884-1認(rèn)證cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdf請?jiān)L問：產(chǎn)

15、品型號描述特性優(yōu)勢隔離驅(qū)動(dòng)ADUM4135隔離型IGB柵極驅(qū)動(dòng)4安培峰值驅(qū)動(dòng)能力，500 V rm和 1200 V d工作電壓， -40oC至+125oC50 ns傳輸延遲，原副邊UVL保護(hù)，Desa保護(hù)， 故障軟關(guān)斷，米勒箝位，UL, CSA VD認(rèn)證ADUM4223隔離型 MOSFE、IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)4安培峰值驅(qū)動(dòng)能力，高開關(guān)頻率可達(dá)1 MHz上下橋臂 隔離：537 V峰值和800 V峰值（差分輸入），-40oC至+125oC高低橋臂隔離，UL, CSA VD認(rèn)證通訊隔離ADM3251E隔離式RS-232攵發(fā)器460 kbp數(shù)據(jù)傳輸率，2.5 kV耐壓隔離的RS-23和集成式dc/dc轉(zhuǎn)

16、換器， ±15 kV ES保護(hù)，UL, CSA VD認(rèn)證ADM2687E隔離式 RS-485/RS-422收發(fā)器半雙工或全雙工，500 kbp數(shù)據(jù)傳輸率，5 kV耐壓，5 V或3.3 VT作電壓隔離的RS-48和集成式dc/dc轉(zhuǎn)換器， ±15 kV ES保護(hù)，具備失效保護(hù)功能ADUM4160隔離型US收發(fā)器支持USB2.0全速/慢速模式，5 kV耐壓，5 V或3.3 V 工作電壓雙向傳輸，具備短路保護(hù)功能ADM3054隔離型CAN總線收 發(fā)器滿足ISO1189標(biāo)準(zhǔn)，1Mbps數(shù)據(jù)傳輸率，5 k耐壓，5 V或3.3 V工乍電壓具備短路保護(hù)功能ADUM4150隔離型SP總線收

17、發(fā)器支持最高40 MHz SPt鐘，5 kV耐壓具備時(shí)鐘信號延遲補(bǔ)償功能ADUM2250隔離型FC總線收發(fā)器支持1 MHZ寸鐘，雙向通訊，5 kV耐壓，5 V或3.3 VT作 電壓支持熱插拔，UL, CSA證隔離運(yùn)放ADUM4190隔離誤差放大器5 kV耐壓，400 kH帶寬，3 VS20 Vt源，-40oC至+125oC全溫度范圍1%精度隔離電源ADUM5000ADUM6000隔離型DCD變換器500 mW 400 mW 5 V或3.3 V輸出，2.5 kV/5 k耐壓過熱保護(hù)，UL，CSA VD畝證參考設(shè)計(jì)和演示板HV MPC平 臺(tái)HV MPC平 臺(tái)cn/ms-2488.pdfcn/an-

18、740.pdfcn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdf旋變器連接器電源連接器電機(jī)連接器解碼器連接器Boston Engineerings www.boston-AD設(shè)計(jì)。cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfcn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdf技術(shù)文章/應(yīng)用筆記x iso Powe設(shè)備輻射控制推薦設(shè)計(jì)（AN-0971 cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfx ADI數(shù)字隔離產(chǎn)品選型及設(shè)計(jì)資源指南一XDigitalsolator_Product_Selection_and_Resource_Guide.pdfX電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的門極驅(qū)

19、動(dòng)和電流反饋信號隔離技術(shù)一X n-Industrial-Motor-Drives.pdfcn/an-0971.pdfi Couple設(shè)備輻射控制推薦設(shè)計(jì) （AN-1109 an-1109.pdf降低 ADM2582E/ADM2587E RS-485/RS-4收發(fā)器輻射影響的 PCB設(shè)計(jì)指導(dǎo)（AN-1349 cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfX iCouplerf隔離產(chǎn)品集成iso Power：使用微型變壓器實(shí)現(xiàn)隔離的信號和功率傳輸一i/soPower.pdfX i Couple隔離技術(shù)在 RS-48沖的應(yīng)用（AN-727 cn/an-727.pdfcn/ms-2488.pd

20、fcn/an-740.pdfx交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的數(shù)字隔離（MS-2488 X i Couple隔離技術(shù)在 RS-23沖的應(yīng)用（AN-740 cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdf亞洲技術(shù)支持中心4006-100-006模擬與其他線性產(chǎn)品china.support嵌入式處理與DSP產(chǎn)品processor.china免費(fèi)樣片申請?jiān)诰€購買ADI在線技術(shù)論壇網(wǎng)址x i Coupler隔離技術(shù)在 CAN總線中的應(yīng)用(AN-770 www.analog. com/cn/an-770.pdfx fC隔離接口 (AN-913Circuits from the Lab ?實(shí)驗(yàn)室電路實(shí)驗(yàn)室電路是經(jīng)過特別設(shè)計(jì)和測試的子系統(tǒng)級構(gòu)建模塊，方便 設(shè)計(jì)人員輕松快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。X采用隔離式藝-型調(diào)制器、隔離式DC/DC專換器和有源濾波器的新型模擬/模擬隔離器一X 采用隔離驅(qū)動(dòng)器的 H橋驅(qū)動(dòng)電路一 x USB HU隔離電路一x符合EM(要求的RS-485攵發(fā)器保護(hù)電路一x 更多實(shí)驗(yàn)室電路請?jiān)L問一更多信息請?jiān)L問ADI電機(jī)控制網(wǎng)站中文技術(shù)論壇cn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdfcn/ms-2488.pdfcn/an-740.pdf全球總部One Technology WayP.O. Bo