变频器的电压隔离
作者：Shaun Milano，
Allegro MicroSystems, LLC
摘要：对大多数电气工程师来说，设计一种符合电压隔离国际标准的变频器 (VFD) 是项艰巨的任务。何时需要强化绝缘？何时基本绝缘和双层绝缘就足够了？尽管相关标准十分复杂，但仍有一些简单的准则能帮助设计人员理解适用的绝缘类型。本应用说明虽然没有详细分析电压隔离标准，但它介绍了各种 Allegro 电流传感器 IC 封装，使用这些产品完全能达到符合行业标准的高压隔离等级。
介绍
在本应用说明中，变频器将作为一种示例系统，必须通过使用绝缘层使其达到绝缘标准。许多相同的绝缘概念都适用于所有包含高压控制组件和用户界面的系统。基本假设是，所有设备的设计都应秉承安全至上的理念：防止用户触电1。大多数标准都要求采用双层绝缘保护或单层强化绝缘保护，以防止用户触电2。下文在介绍绝缘保护时，提供了一些术语的定义。
- 基本绝缘。提供基本防触电保护的绝缘层。
- 辅助绝缘或二层绝缘。为减少触电危险，在基本绝缘层上添加的独立绝缘层。
- 双重绝缘。包含基本绝缘层和辅助绝缘层的复合绝缘层。
- 强化绝缘。在标准规定的条件下，提供与双重绝缘相同程度防触电保护的单独绝缘系统。
强化绝缘的定义常常让许多系统设计员感到迷惑，因为它要求熟悉一种安全标准。其实并非如此，双重绝缘或强化绝缘就足以为用户提供防触电保护了，理解这一点就行了。虽然许多 UL 和 IEC 规范定义的触电危险电压略有差别，但简单的经验方则是，超过 42.4 Vrms 或 60 VDC 的电压会产生触电危险。在多数情况下，低于此值的电压不会产生严重的触电危险，此类系统属于超低压电源系统。例如，在美国，电话系统自问世以来，就被限定为 50 VDC，以防止用户触电，直到今天它仍旧保持 50 VDC。这些基本准则有助于我们深入研究变频器架构。
变频器能将 AC 电源电压调整为 DC 电压，然后使用 DC 电压驱动电机。图 2 和图 3 使用了标准三相变频器拓扑结构（采用 IGBT）将电压切换到电机的相位。IGBT 由系统微控制器 (MCU) 控制。电流传感器提供的电流反馈也会进入 MCU，成为电机控制回路的一部分。通过用户界面控制变频器，用户界面通常与 MCU 的数字 I/O 引脚相连。从 DC+ 到 DC 的整流电压范围是 200 - 1000 VDC。虽然按照行业命名法，此电压范围内的变频器属于“低电压”设备，但这些电压等级仍会产生严重的触电危险，所以必须遵守安全标准的规定。这些电压等级通常要求在用户界面和设备外壳内的其他电子组件之间，采取双重绝缘或强化绝缘保护（按照行业标准）。这种绝缘保护必须达到认证标准规定的电压隔离等级，所以当一种设备或系统通过认证时，它会标注隔离等级，而非绝缘等级。
常见的行业标准是《UL60950-1 第 2 版》。虽然此标准主要针对 IT 设备，但其中的严格要求使它成为许多不同设备和组件设计的基本标准。常见的组件级标准包括《IEC60747-5-2》和《UL1577》，常见的系统级标准除《UL60950-1 》外，还包括《60730-1》、《62368-2》和《61010-1》。Allegro 可提供多种 IC 解决方案，以满足变频器的电压隔离要求。
Allegro 电压隔离解决方案
Allegro 电流传感器 IC 的独特之处在于它们是完全集成的。电流会在传感器 IC 封装的一侧进出，而信号引线位于另一侧。这样能在初级电流（高压）侧和信号引线（低压侧）之间提供爬电距离和电气间隙。图 1 显示了 Allegro 的 SOIC8 标准尺寸 IC。Allegro 表面贴装型电流传感器 IC 可在变频器内的任何常规感测位置使用，适用的最大连续电流达 40 A，峰值电流可达 65 A 甚至更高，具体取决于印刷电路板 (PCB) 的设计。要查看封装的直流和瞬态电流热性能的应用说明，请访问 Allegro 公司的网站：
https://www.allegromicro.com/en/insights-and-innovations/technical-documents/hall-effect-sensor-ic-publications/dc-and-transient-current-capability-fuse-characteristics
倒装芯片组装技术在封装内的传感器 IC 和载流导体之间设置了间距，这样形成的绝缘保护，完全能达到 UL 和 IEC 规范要求的高压隔离等级。我们制作的视频短片阐释了如何使用 Allegro 的专利封装技术，在这些小型表面贴装型电流传感器 IC 封装内达到高压隔离等级，要观看短片，请访问 Allegro 公司的网站：
https://www.allegromicro.com/en/products/sense/current-sensor-ics/zero-to-fifty-amp-integrated-conductor-sensor-ics/acs712
根据系统架构的要求，变频器需要不同电压隔离等级。图 2 和图 3 显示了在变频器内提供双重或强化绝缘保护的两种典型方法。首先，我们假设设备正确接线，并已接通 AC 电源，电机正确连接并安全接地，所以不会产生任何触电危险。在这种假设条件下，我们能在用户界面和设备外壳内的电路之间严格设置绝缘保护。
图 1：Allegro 电流传感器 IC
选项 #1（参考接地）
在此配置中，如图 2 所示， MCU 已参考接地，因此，用户界面通常不会受到可能产生触电危险的高压的影响。同样经过参考接地的稳压器会为 MCU 提供 3.3 或 5 V 的标称 VCC。
注意，电流传感器的输出信号同样连接了 MCU。传感器 IC 的内部导体连接了驱动电机的控制桥内的危险电压。如果用户界面直接连接 MCU 的数字 I/O 引脚，电流传感器 IC 现在就要提供双重或强化绝缘保护，作为保护用户的唯一手段。在图 2 中，使用底盘接地或接大地拓扑技术，无论在哪里感测电流，电流传感器都需要提供强化绝缘保护。原因是，如果电流传感器发生故障， MCU 也会停用，这可能通过用户界面导致用户触电。Allegro 电流传感器 IC 能提供最高 800 VDC 的强化绝缘保护，所以非常符合这种拓扑技术的要求。
图 2：变频器原理图（MCU 参考接地）
选项 #2（参考高压）
另一种常见的变频器拓扑结构如图 3 所示，其中的 MCU 连接高压电位（DC– 或 DC+ 整流电压）。所以，如果直接连接 MCU，用户界面也会产生触电危险。为此，必须在用户界面和 MCU 电路之间提供双重或强化绝缘保护，如图 3 所示。
由于需要在 MCU 和用户界面之间提供双重或强化绝缘保护，电流传感器只需提供功能性的电压隔离以保护 MCU 。许多 Allegro 电流传感器 IC 上采用的基本绝缘保护能轻松实现这一目标。采用这种拓扑结构时，有些感测位置不需要任何绝缘保护，如图 3 所示，因为它的电压电位与 MCU 的类似。
最后，如上所述，在变频器中，MCU 的用户界面通常包含简单的数字 I/O 线路，所以，强化绝缘保护由具有强化绝缘等级的数字隔离器或光绝缘体提供。MCU 和用户界面之间的每个 I/O 引脚都需要这种保护，所以需要使用多个光绝缘体。
通过采用图 2 中带 Allegro 电流传感器 IC（提供强化绝缘保护）的参考接地拓扑结构，可以放心移除光绝缘体了；但这需要将 MCU 与 IGBT 的驱动信号隔离。
图 3：变频器原理图（MCU 参考高压）
无论使用哪一种变频器拓扑结构，Allegro 都能提供多种专利技术，在小型电流传感器半导体封装内提供基本或强化绝缘保护，以满足具体应用的需求。Allegro 推出的多种电流传感器 IC 产品组合，具有不同的集成功能和精度水平，因而能充分满足不同变频器的应用要求。Allegro 的每种专利电流传感器 IC 均通过严格的行业标准（如《UL/TUV 60950-1》和《UL1577》）的认证。
表 1 汇总了 Allegro 提供的表面贴装型封装的选项，及其相关的经标准认证的隔离等级。表 1 中的所有组件均已通过《IEC/ UL60950-1》规范的认证。
汇总表包含标准 SOIC8 封装与宽体 SOIC8 封装的选项。符合 UL 或 TUV 规范（对 IC 进行认证）要求的内部或外部构造技术，可提供不同的绝缘等级。注意，所有封装都能提供确保高压运行的基本绝缘等级。Allegro 的 SOIC16 宽体 (MA) 封装解决方案能在直流总线上提供高达 800 VDC 的强化绝缘保护，以及最高 1550 VDC 的基本绝缘保护。
| 封装 （代码） |
隔离等级 Vrms |
基本工作电压 Vpk |
强化工作电压 Vpk |
封装图 | |
| SOIC8 (LC) |
2100-2400 | 最高 600 | 最高 164 |  |
|
| SOIC16W (LA) |
3600 | 最高 870 | 不可用 |
|
|
| SOIC16W (MA) |
4800 | 最高 1550 | 最高 800 | ||
要查看 Allegro 提供的表面贴装型封装电流传感器 IC 解决方案及其隔离等级的汇总信息，请访问：
https://www.allegromicro.com/en/products/sense/current-sensor-ics/zero-to-fifty-amp-integrated-conductor-sensor-ics
参阅单独的数据表，查看准确的基本和强化绝缘等级、UL 或 TUV 标准，以及详细的封装图。
您还可以登录 www.allegromicro.com，查看更多应用说明、常见问题和产品信息。
1 《UL60950-1 简介》： 0.1 节“一般安全原则”。
2 定义从《UL60950-1》的“定义”部分摘录。