隔離用戶及敏感電子部件是電機控制系統(tǒng)的重要考慮事項。安全隔離用于保護用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護設備和器件。電機控制系統(tǒng)可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動電路中的隔離式柵極驅(qū)動器；檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標準數(shù)字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

雖然隔離是很重要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會產(chǎn)生延遲，而且會增加系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設計師傳統(tǒng)上求助于光隔離方案，多年來，它是系統(tǒng)隔離的最佳選擇。

為什么我們要開發(fā)隔離的硬件？我們可以將敏感測量與嘈雜的電源域隔離，以提高精度，降低共模噪聲，但出于安全考慮可能不需要隔離。我們稱之為功能隔離。

隔離的最明顯原因是防止觸電的安全方面。系統(tǒng)必須確保免受危險電壓的影響。如果這些電壓存在于系統(tǒng)中，則必須進行隔離。

有兩個級別的隔離：

· 具有基本隔離的系統(tǒng)提供單級隔離和基本的電擊保護。

· 具有雙重隔離的系統(tǒng)由兩個獨立的基本絕緣層組成。除了基本絕緣外，還增加了另一個獨立的絕緣，以確保在基本絕緣失效的情況下防止觸電。

具有加強絕緣的系統(tǒng)提供了一個單一絕緣系統(tǒng)，該系統(tǒng)在相應標準規(guī)定的條件下提供相當于雙重絕緣的電擊保護程度。

對于變速驅(qū)動器，相關(guān)標準是 IEC 61800-5-1。相應的半導體級標準是例如用于光隔離器的 IEC 60747-5-5 和用于電容/磁隔離器的 VDE0884-10/11 和 IEC 60747-17 的草案版本。指定的關(guān)鍵參數(shù)是什么？IEC 61800-5-1 規(guī)定了高壓和導電部件/設備表面之間所需的絕緣等級，具體如下：

· 瞬態(tài)過電壓（對應于 VIOTM）

· 浪涌電壓（對應VSURGE）

· 爬電距離

· 清除

這取決于：

· 需要基本或加強隔離

· 系統(tǒng)電壓

· 工作電壓（對應VIORM）

· 過電壓類別

· 污染程度

· 包裝材料

表 1 顯示了隔離術(shù)語的概述。

表 1：隔離術(shù)語

讓我們看一個工業(yè)驅(qū)動器的三相交流逆變器的硬件設計示例。逆變器由直流母線供電，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產(chǎn)生。在大部分工業(yè)應用中，直流母線電壓在300 V至1000 V范圍內(nèi)。采用脈寬調(diào)制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機端子上產(chǎn)生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。交流逆變器通常由三相交流電網(wǎng)供電。三相交流電的幅度通常指定直流母線電壓。為了將微控制器與功率級隔離，使用了隔離式 IGBT 柵極驅(qū)動器以及隔離式相電流和電壓傳感器。

我們?nèi)绾螐慕涣骰蛑绷鬏斎腚妷褐袡z索隔離電壓要求？

IEC61800-5-1 規(guī)定了基于系統(tǒng)電壓的臨時過電壓、沖擊浪涌電壓、最小間隙和爬電距離等相應的電氣參數(shù)，用于基于系統(tǒng)電壓以及其他參數(shù)，如類別、污染程度和海拔高度。符合 IEC61800-3 的相關(guān)系統(tǒng)電壓例如為 300V、600V 和 1000V。供應商規(guī)定的系統(tǒng)電壓不得低于相關(guān)的 IEC61800-3 電壓。

例如，對于指定為 830Vrms 的系統(tǒng)，IEC61800-5-1 對 1000Vrms 的要求將是有效的。60 秒內(nèi)可承受的最大正弦峰值電壓為 6.2kVpk，最大浪涌電壓為 12kVpk，最大峰值工作電壓為 830Vrms。對于通過 IEC61800-5-1 的系統(tǒng)，增強或基本隔離的臨時峰值和浪涌電壓取決于系統(tǒng)電壓。請注意，對于半導體隔離器，相關(guān)組件標準要求具有增強隔離的隔離器至少通過 10kV 浪涌。

我們?nèi)绾芜x擇合適的半導體以及滿足隔離要求的硬件設計注意事項是什么？用于三相逆變器系統(tǒng)參考設計的 隔離式 IGBT 柵極驅(qū)動器評估平臺是用于三相逆變器系統(tǒng)的增強型隔離式 IGBT 柵極驅(qū)動器評估平臺的一個很好的例子。該設計支持高達 1500Vrms 的工作電壓。該設計已使用高達 22kW 的電機進行測試，超過 IEC61800-3 電源接口的 EMC 抗擾度，具有 8kV ESD 接觸放電和 4kV EFT 所需電壓水平的兩倍。