變頻器通過控製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的母線係統，其電壓變化率高達12kV/μs
，這會對控製係統的穩定性形成較大的挑戰。為了係統的可靠工作
，必須將控製係統與IGBT驅動係統有效的隔離。

 

與此類似

，為了精準的控製母線電壓
，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製係統存在一個非常高的電勢差，極易導致控製係統的失效。我們也需要一個類似IGBT驅動係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
，處於高電壓側的采樣係統與處於低壓安全電壓側的控製係統之間存在極大的共模電勢差
，加上IGBT係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隔離耐壓不低於2.5kV AC的DC/DC電源模塊。值得注意的是，高電壓側是位於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一般作為電源係統的二次電源，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幹擾經過了AC-DC的隔離
，再經過DC-DC二次隔離，對於控製係統來說，電壓是非常穩定了，因此不存在如上的問題。其係統架構如圖2所示，DC/DC的輸入和輸出都處於SELV低壓安全電路中。

 

 

如圖1所示結構，DC-DC應用於監測高電壓的話，其輸出端與母線電壓的負端直接相連，那麼DC-DC輸出側就要同時麵對輸入和輸出的高電勢差和IGBT係統高電壓變化率dv/dt帶來的共模幹擾，如何隔離這兩種幹擾，讓其不影響控製係統的正常工作成為了設計上的難題。那麼，這種設計難題又將如何解決呢
？

 

 

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於等於6.4mm。另外一方麵，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。但是對於高電壓變化率抗幹擾設計
，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幹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製側，我們這裏已經選定了信號光耦，所以我們隻關注DC/DC的設計。DC/DC內部的幹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(dian)容(rong)。三(san)者(zhe)的(de)疊(die)加(jia)值(zhi)越(yue)大(da)
，高(gao)頻(pin)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)就(jiu)越(yue)容(rong)易(yi)通(tong)過(guo)隔(ge)離(li)柵(zha)進(jin)入(ru)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)，引(yin)起(qi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)工(gong)作(zuo)異(yi)常(chang)。因(yin)此(ci)我(wo)們(men)設(she)計(ji)此(ci)類(lei)電(dian)源(yuan)時(shi)，其(qi)一(yi)取(qu)消(xiao)安(an)規(gui)Y電容，其二選擇沒有光耦的Royer拓撲

，將後兩者因素降至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於10pF。

 

我(wo)們(men)的(de)加(jia)強(qiang)絕(jue)緣(yuan)設(she)計(ji)方(fang)案(an)出(chu)來(lai)後(hou)可(ke)以(yi)解(jie)決(jue)以(yi)上(shang)的(de)技(ji)術(shu)難(nan)題(ti)，但(dan)是(shi)不(bu)足(zu)以(yi)證(zheng)明(ming)我(wo)們(men)的(de)設(she)計(ji)足(zu)夠(gou)可(ke)靠(kao)
，我(wo)們(men)還(hai)需(xu)要(yao)建(jian)立(li)完(wan)善(shan)的(de)絕(jue)緣(yuan)檢(jian)測(ce)係(xi)統(tong)來(lai)驗(yan)證(zheng)我(wo)們(men)的(de)設(she)計(ji)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

 

 

下麵介紹三種金升陽公司針對絕緣性能的檢測驗證方案：

 

 

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並在最高耐壓值維持一分鍾時間。如圖6所示。

　　

如果測試無擊穿、無飛弧現象
，且漏電流符合少於設定值（例如1mA）的要求即可。如果測試NG，則測試儀報警。

 

 

隔ge離li耐nai壓ya測ce試shi方fang法fa簡jian單dan，隻zhi需xu要yao一yi台tai普pu通tong的de耐nai壓ya測ce試shi儀yi即ji可ke完wan成cheng測ce試shi，如ru果guo絕jue緣yuan係xi統tong遭zao到dao破po壞huai

，則ze耐nai壓ya測ce試shi儀yi可ke以yi很hen方fang便bian的de監jian測ce出chu來lai並bing報bao警jing。因yin此ci耐nai壓ya測ce試shi法fa大da量liang被bei應ying用yong於yu絕jue緣yuan係xi統tong的de絕jue緣yuan特te性xing檢jian測ce。但dan是shi它ta的de缺que點dian也ye顯xian而er易yi見jian，如ru果guo絕jue緣yuan係xi統tong存cun在zai瑕xia疵ci是shi無wu法fa檢jian測ce出chu來lai的de，因yin此ci隻zhi能neng作zuo為wei初chu步bu的de絕jue緣yuan檢jian測ce方fang案an。

 

 

類似於圖5的連接方式
，將耐壓測試儀更換為浪湧發生器，對絕緣待測物施加1.2μs /50μs標準浪湧波，實際測試電壓根據係統要求設定，並判斷絕緣待測物是否損壞。分別如圖7和圖8所示。

 

 

我們可以通過示波器采集衝擊電壓波形，如圖9和圖10。當浪湧電壓撤銷後

，對產品上電並帶載

，產品工作正常，則通過；否則，NG。chongjidianyaceshishiyizhongxiangduimengliedeceshifangfa，shiceshishoushiwuduichongjidianyadenaishounengli，tongnaiyaceshifayiyangshiyizhongpohuaixingceshi
，yejiushishuo
，ceshibenshenduiyushoushiwuyouyidingdesunshang。

 

 

 

我們知道耐壓測試、衝(chong)擊(ji)電(dian)壓(ya)測(ce)試(shi)都(dou)是(shi)一(yi)種(zhong)破(po)壞(huai)性(xing)測(ce)試(shi)，多(duo)次(ci)測(ce)試(shi)或(huo)者(zhe)測(ce)試(shi)值(zhi)接(jie)近(jin)絕(jue)緣(yuan)係(xi)統(tong)臨(lin)界(jie)值(zhi)都(dou)有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)絕(jue)緣(yuan)係(xi)統(tong)的(de)損(sun)傷(shang)或(huo)損(sun)壞(huai)。但(dan)是(shi)受(shou)試(shi)後(hou)損(sun)傷(shang)的(de)測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)，絕(jue)緣(yuan)係(xi)統(tong)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)不(bu)超(chao)標(biao)，絕(jue)緣(yuan)係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)。這(zhe)就(jiu)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)風(feng)險(xian)，因(yin)此(ci)引(yin)入(ru)了(le)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)。

 

jubufangdianceshishizhenduibianpinqijueyuantexingceshitichulaideyizhongxingzhiyouxiaodefangshi，qiyuqianliangzhongceshifangandequbiezaiyu，takeyijiancechujueyuanxitongweixiaodejueyuanxiaci，erqiebuhuisunshangjueyuanbenti。

 

jutifanganshitongguogeijueyuanxitongshijiayidingdedianya，bingzaiyidingdeshijianliceshicanyudianhelianglaipanduanjueyuanxitongdexingneng。xiangduinaiyaceshi
，shiyizhongwusunshangqiegaojingdudejueyuanjiancefangfa。yixiajianyaojieshaoceshifangfa，ceshiguochengrutu11所示。

 

 

（1）參考UL508的要求，變頻器工作電壓選擇局部放電測試電壓UPD，局部放電電壓線性的增加到1.875倍UPD，並保持時間在5s以內。例如變頻器工作電壓為400V AC，則測試UPD根據UL508的要求查表
，如表1所示。得出測試電壓基準為450V AC，第一階段測試電壓為835V AC(黃色第一列)。

 

 

（2）然後將電壓線性降低到1.5倍UPD（誤差±5%），第二階段測試電壓為668V AC（參考黃色第二列），保持15s。

 

（3）在這個階段測試局部放電的電荷，如果測試的電荷低於10pC,則測試通過
，如圖12和圖13所示
，測試全過程殘餘電荷低於2.5pC。反之，NG，如圖14所示
，測試過程最高點達到175pC。

 

 

 

 

針對圖1的變頻器框圖可以選擇的參考設計為金升陽公司的H2409S-2W-GM，輸出端可以直接和整流橋後的母線負端連接，輸入端連接24V SELV安全低壓電路，並和5V控製器共地。該電源是基於變頻器的隱性技術需求設計，如圖15所示，具體特點如下：

 

· 滿足CE要求的高隔離耐壓（4242V DC）/衝擊耐壓要求/局部放電測試；

· 滿足UL的材料要求和高隔離耐壓（4242V DC）設計

；

· 滿足480V AC工作電壓加強絕緣要求；

· 隔離電容低於10pF；

· 持續輸出短路保護。

 

 

 

本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)變(bian)頻(pin)器(qi)係(xi)統(tong)在(zai)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)監(jian)測(ce)上(shang)遇(yu)到(dao)的(de)技(ji)術(shu)難(nan)題(ti)以(yi)及(ji)金(jin)升(sheng)陽(yang)公(gong)司(si)對(dui)應(ying)的(de)加(jia)強(qiang)絕(jue)緣(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。同(tong)時(shi)介(jie)紹(shao)了(le)三(san)種(zhong)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)的(de)檢(jian)測(ce)驗(yan)證(zheng)方(fang)法(fa)
，最(zui)後(hou)推(tui)薦(jian)了(le)加(jia)強(qiang)絕(jue)緣(yuan)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)源(yuan)參(can)考(kao)設(she)計(ji)。希(xi)望(wang)對(dui)大(da)家(jia)有(you)所(suo)幫(bang)助(zhu)。

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