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隔離驅動器電源選用指南

一般低工作電壓的系統,只要控制器的耐壓在允許範圍內,大多都是將主動式零件的訊號端直接接到控制器,如圖1(a)所示。然而,對於大多數的電機驅動應用,當系統操作電壓達到百伏或千伏以上的情況下,控制電路與高電壓端的切換線路之間就有電氣隔離的需求。一般是使用內建驅動電路的光耦合器,再加上隔離電源做為隔離型的驅動器,以達到電氣隔離的目的,如圖1(b)所示。

 

以下幾點是選擇驅動器的隔離電源時,應該注意的項目。

  • 轉換器操作電壓

操作電壓是透過開關元件的規格決定,必須確認轉換器電壓不會超過開關元件柵極電壓最大值。如開關是IGBT,一般會選用+15V, -8V的雙輸出轉換器,如果是MOSFET、SiC或GaN,則使用單輸出電源即可。

  • 轉換器瓦特數

至於如何選擇轉換器瓦特數,可以參考以下公式

假設驅動器的電源需求是0.6W,

開關的 ,操作頻率為16kHz。透過公式計算可得0.6W+0.792W+0.288W=1.68W,在選用時建議選用至少2W的轉換器。

 

  • 絕緣耐壓能力

這個項目是依照系統工作電壓決定,工作電壓越高,轉換器的絕緣耐壓就要越高。圖2為PLC控制器的應用方塊圖,輸入端為3.3V,輸出端為110V的高電壓應用,也就是跨在系統兩端的工作電壓可能會到110V+3.3V。這樣的應用超過安全工作電壓的要求,所以設計者需要使用隔離型電源,而依規定絕緣耐壓至少要2倍工作電壓再加上2000V。以圖2為例,絕緣耐壓至少需要2x(110v+3.3v)+2000v=2226.6V,轉換器隔離耐壓至少要選用3kV或以上的規格。

  • 絕緣電容

絕緣電容是轉換器一、二次測之間的寄生電容,透過以下公式可以發現絕緣電容與漏電流成正比。

轉換器的漏電流越高表示損耗越大,如果系統要操作在高操作頻率與高電壓的情況下,則需要注意轉換器的絕緣電容大小,避免轉換器有較高的溫升。

  • 短路保護

當主動式開關零件損壞時,轉換器的輸出端有可能會是短路的狀態。因此,短路保護功能可以避免轉換器因系統異常造成損壞。

  • CMTI

CMTI是評量隔離器或轉換器,在任一側或兩側接受共模干擾時,能保持正常輸出的指標。規格為kV/uS。測試方式如圖3所示,是在一、二次側之間注入突波訊號,並確認當轉換器工作或截止時,是否會被干擾,測試波形如圖4所示。

具個例子來說,當轉換器有正常輸出,此時突波訊號注入,確認輸出波形是否會掉超過精準度。或者是轉換器截止時,是否會有電壓輸出。

應用線路

圖5為三相直流轉交流的轉換器接線示意圖,由圖中可以看出,外部訊號透過隔離型驅動器控制主動式開關。隔離型電源的部分,上臂三個開關各自使用獨立的隔離電源,下臂三個開關可以共用一個,然而在共用電源的情況下,需要注意隔離電源的瓦特數。

圖6為常見的隔離型驅動器接線方式,圖中可以看出,光耦合器是處理訊號隔離的部分,推動主動式開關元件如MOSFET、IGBT或SiC的能量,是由隔離電源提供。通常會在主動式開關的Gate端與Source接一個雙向的TVS,以避免柵極端受到突波電壓影響,造成開關損壞。

 

實際範例

接下來使用輸出瓦特數2W的隔離轉換器,搭配圖7的外接線路測試轉換器的電器特性。

 

由圖8可以看出,當外部訊號透過光耦合器驅動主動式開關時,隔離型的電壓變異量與電壓漣波十分微小,表示轉換器可以有效的驅動主動式開關。

結論

          具備高絕緣耐壓的隔離型轉換器應用在工業類與新能源領域越來越常見,如高工作電壓的直流轉交流的馬達控制器,或者是太陽能並聯市電用的變流器。低絕緣電容則可以避免轉換器在高操作電壓下發熱。以及,短路保護功能則可以在系統發生異常時,保護轉換器與系統。因此高絕緣耐壓、低絕緣電容的轉換器為驅動器的隔離電源應該重視的項目。

 

 

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