控制电路与主电路之间驱动电路一般采用什么隔离哪些隔离技术

        在全球能源短缺、环保要求不断提高的背景下世界各国均大力发展绿色节能照明。照明作为一种革命性的节能照明技术正在飞速发展。然而的要求也在不断提高。高效率、高功率因数、安全隔离、符合EMI标准、高电流控制精度、高可靠性、体积小、成本低等正成为电源的关键评价指标

  LED驱动电源嘚具体要求

  LED是低压发光器件,具有长寿命、高光效、安全环保、方便使用等优点对于市电交流输入电源驱动,隔离输出是基于安全規范的要求LED驱动电源的效率越高,则越能发挥LED高光效节能的优势。同时高开关工作频率高效率使得整个LED驱动电源容易***在设计紧湊的LED灯具中。高恒流精度保证了大批量使用LED照明时的亮度和光色一致性

  10W以下功率LED灯杯应用方案

  目前10W以下功率LED应用广泛,众多一體式产品面世即LED驱动电源与LED灯整合在一个灯具中,方便了用户直接使用典型的灯具规格有GU10、E27、PAR30等。针对这一应用我们设计了如下方案(见图1)

  1. 基于最新的LED专用驱动芯片AP3766,采用原边控制方式无须光耦和副边电流控制电路,实现隔离恒流输出电路结构简单。通过电阻R5檢测原边电流控制原边电流峰值恒定,同时控制开关占空比保持输出二极管D1的导通时间和整个开关周期时间比例恒定,实现了输出电鋶的恒定

  2. AP3766采用专有的“亚微安启动电流”技术,仅需0.6μA的启动电流因此降低了启动电阻R1和R2上的功耗,提高了系统效率典型5W应用效率大于80%,空载功耗小于30mW

  3. AP3766采用恒流收紧技术实现垂直的恒流特性,恒流精度高

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今天我们聊一聊电力电子器件应用的共性--驱动、保护、串并联...1.驱动

谈到功率半导体器件,出来不可控的其他的应该都涉及到主动开关吧,那怎幺开怎幺关呢这就是驱动,电力电子主电路与控制电路之间的接口良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态,缩短开关时间减小开关损耗,对装置的运行效率、可靠性和安全性都囿重要的意义

驱动电路的基本任务就是,按控制目标的要求给器件施加开通或关断的信号(对半控型器件只需提供开通控制信号;对全控型器件则既要提供开通控制信号又要提供关断控制信号)。

一些保护措施也往往设在驱动电路中或通过驱动电路实现。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节驱动电路一般采用什么隔离光隔离或磁隔离。

?光隔离驱动电路一般采用什么隔离光耦合器:甴发光二极管和光敏晶体管组成封装在一个外壳内。大致分为普通、高速和高传输比三种类型

?磁隔离的元件通常是脉冲变压器:当脈冲较宽时,为避免铁心饱和常采用高频调制和解调的方法。

产生符合要求的门极触发脉冲 保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通,往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路

触发电路应满足以下几点要求:

?触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通,比如对感性和反电动势负载的变流器 应采用宽脉冲或脉冲列触发;

?触发脉冲应有足够的幅度对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度应增大为器件朂大触发电流的3~5倍脉冲前沿的陡度也需增加,一般需达1~2A/s;

?触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额且在门极伏安特性嘚可 靠触发区域之内;

?应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

②常见的晶闸管触发电路

由V1、V2构成的脉冲放大环节囷脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成当V1、V2导通时,通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲;VD1和R3是為了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分,还需适当附加其它 电路环节

③電流驱动型器件的驱动电路

我们知道,GTO和GTR是电流驱动型器件那它们的驱动电路一般是怎幺样的呢?

推荐的GTO门极电压电流波形

开通控制与普通晶闸管相似但对触发脉冲前沿的幅值和 陡度要求高,且一般需在整个导通期间施加正门极电流使GTO关断需施加负门极电流,对其幅徝和陡度的要求更高GTO一般用于大容量电路的场合,其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分可分为脉沖变压器耦合式和直接耦合式两种类型。

典型的直接耦合式驱动电路如下:

可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡可得到较陡的脉 冲前沿;缺点是功耗大,效率 较低电路的电源由高频电源经二极管整流后提供,VD1和C1提供+5V电压VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压,VD4和C4提供-15V电壓V1 开通时,输出正强脉冲;V2开通时输出正脉冲平顶部分;V2关断而V3开通时输出负脉冲;V3关断后R3和R4提供门极负偏压。

理想的GTR基极驱动电流波形

开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态使之不进入放大区和深饱和区。关断时施加一定的负基极电流有利于减小关断时間和关断损耗,关断后同样应在基射极之间施加一定幅值(6V左右)的负偏压

GTR的一种驱动电路如下:

包括电气隔离和晶体管放大电路两部汾。VD2和VD3构成贝克箝位电路是一种抗饱和电路,可使GTR导通时处于临界饱和状态;C2为加速开通过程的电容开通时R5被C2短路,这样可以实现驱動电流的过冲并增加前沿的陡度,加快开通

④电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件,为快速建立驱动电压要求驱动電路具有较小的输出电阻;使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V,使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15~20V;关断时施加一定幅值的负驱动电壓(一般取-5~-15V)有利于减小关断时间和关断损耗在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右) 可以减小寄生振荡,该电阻阻值应随被驱动器件電流额定值的增大而减小

电力MOS的一种驱动电路:

包括电气隔离和晶体管放大电路两部分;当无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通輸出负驱动电压当有输入信号时A输出正电平,V2导通输出正驱动电压

IGBT多采用混合集成电路,常用的有三菱公司的M579系列(如M57962L和M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)当然发展至今已经涌现出各式各样的驱动芯片了,大家实际工作中可以慢慢了解和积累

围绕着功率半导体设计時,保护这块的重视程度估计是很大的它直接关系到器件的可靠性,以及产品的可靠性和寿命今天我们简单聊一下过电压、过电流和緩冲电路。

过电压分为外因过电压和内因过电压两类

外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因,包括

?操作过电压:由汾闸、合闸等开关操作引起的过电压

?雷击过电压:由雷击引起的过电压。

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程包括

?换相过电压:晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后,反向电流急剧减小会由线路电感在器件两端感应出过电压。

?關断过电压:全控型器件在较高频率下工作当器件关断时,因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件 两端感应出的过电压

D--变压器静電屏蔽层

C--静电感应过电压抑制电容

RC1--阀侧浪涌过电压抑制用RC电路

RC2--阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路

RV--压敏电阻过电压抑制器

RC3--阀器件换相过電压抑制用RC电路

RCD--阀器件关断过电压抑制用RCD电路

过电压抑制措施及配置位置

?各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种;

?RC3 和RCD为抑制內因过电压的措施。

?抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路;

?采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管(BOD)等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施

过电流分过载和短路两种情况。

过电流保护措施及其配置位置如下:

快速熔断器、直流赽速断路器和过电流继电器是较为常用的措施一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施,以提高保护的可靠性和合理性通常,电子电路作为第一保护措施快熔仅作为短路时的部分区段的保护,直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护过电流继电器整定 在过载时动作。

快速熔断器(简称快熔):是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施选择快熔时应考虑:

▲电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定;

▲电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定;

▲快熔的I?t值应小于被保护器件的允许I?t值;

▲为保证熔体在正常过载情况下不熔化,应考虑其时间--电流特性

快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护兩种。

全保护:过载、短路均由快熔进行保护适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。

短路保护:快熔只在短路电流较大的区域起保護作用

对重要的且易发生短路的晶闸管设备,或全控型器件需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电鋶保护环节器件对电流的响应是最快的。

缓冲电路(Snubber Circuit)又称为吸收电路其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt,减尛器件的开关损耗

?分为关断缓冲电路和开通缓冲电路

关断缓冲电路:又称为du/dt抑制电路,用于吸收器件的关断过电压和换相过电压抑淛du/dt,减小关断损耗

开通缓冲电路:又称为di/dt抑制电路,用于抑制器件开通时的电流过冲和di/dt减小器件的开通损耗。

?还可分为耗能式缓冲電路和馈能式缓冲电路

耗能式缓冲电路:缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上

馈能式缓冲电路:缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源,也称无损吸收电路

而我们通常将缓冲电路专指关断缓冲电路,而将开通缓冲电路区别叫做di/dt抑制电路

下面是一種缓冲电路和di/dt抑制电路的电路图:

在无缓冲电路的情况下, di/dt很大关断时du/dt很大, 并出现很高的过电压如下图所示:

在有缓冲电路的情况丅,V开通时Cs先通过Rs向V放电,使iC先上一个台阶以后因为Li的作用,iC的上升速度减慢;V关断时负载电流通过VDs向Cs分流,减轻了V的负担抑制叻du/dt和过电压。因为关断时电路中(含布线)电感的能量要释放所以还会出现一定的过电压。

无缓冲电路时uCE迅速上升,负载线从A移动到B之后iC才下降到漏电流的大小,负载线随之移动到C

有缓冲电路时,由于Cs的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降因此负载线经过D到达C。负载線在到达B时很可能超出安全区使V受到损坏,而负载线ADC是很安全的且损耗小。

缓冲电路的另外两种形式:

RC缓冲电路放电阻止型RCD缓冲电路

RC緩冲电路主要用于小容量器件而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。3.串/并联

对较大型的电力电子装置当单个电力电子器件的电壓或电流定额不能满足要求时,往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作或者将电力电子装置串联或并联起来工作。

当晶闸管的额萣电压小于实际要求时可以用两个以上同型号器件相串联,但是会存在电压不均衡的问题:

由于器件静态特性不同而造成的均压问题;為达到静态均压首先应选用参数和特性尽量一致的器件,此外可以采用电阻均压

由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题。

為达到动态均压同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件,另外还可以用RC并联支路作动态均压;对于晶闸管来讲采用门极强脉沖触发可以显着减小器件开通时间上的差异。

伏安特性差异 串联均压措施

大功率晶闸管装置中常用多个器件并联来承担较大的电流。晶閘管并联就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件,此外还鈳以采用均流电抗器;同样用门极强脉冲触发也有助于动态均流。

当需要同时串联和并联晶闸管时通常采用先串后并的方法联接。

?MOS嘚Ron具有正温度系数具有电流自动均衡能力,容易并联;

?应选用Ron、UT、Gfs和输入电容Ciss尽量相近的器件并联;

?电路走线和布局应尽量对称;

?可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用

在1/2或1/3额定电流以下的区段,通态压降具有负温度系数;在以上的区段则具有正温度系数;也具有一定的电流自动均衡能力易于并联使用。在器件参数和特性选择、电路布局和走线、散热条件等方面也应尽量一致

关于電力电子方面的基本框架我们快聊完了,没有涉及到太多的细节这些我们后面继续慢慢填充,让这个框架越发的饱满烦请大家多宣传,让更多的人加入进来谢谢~

今天的内容,希望你们能够喜欢谢谢!

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在电力电子设备上选用的元器件Φ隔离器件是十分重要的器件类型之一,尤其在高电压及大功率应用中不可或缺以变频驱动及电源设计为例,典型的隔离器件被用于功能性隔离和安全隔离等功能电路分别用于实现高压功率电路和低压控制电路的隔离,以及控制电路及可能被人体触摸的接口电路的隔離

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之所以需要在变频驱动及电源设计中使用隔离电路其原因主要在于以下几方面:

降低噪声干扰—现代的电力电子变换器主要依靠功率半导体的PWM控制实现对输出电压及电流的控制。对于大功率应用来说功率器件开关动作产生的di/dt和dv/dt信號变化,经由PCB布线的寄生参数或者其他电路的耦合通路会在低压电路信号中产生较高的噪声,干扰电路正常工作通过引入隔离器件,鈳以有效的分离功率电路和低压控制电路减小控制电路的噪声。

器件耐压要求—通常变频驱动及电源设备的主功率电路连接到危险电压比如典型的AC 220V/380V电路,经过整流后的直流电压也高达540V以上且电网或负载本身电气上也具有很多不确定因素及异常工况,然而控制电路通常連接到安全地电压因此功率电路与住功率电路间需要隔离。

设备互联—这些设备通常还需要与其他控制器连接形成网络化控制,然而这些网络中的设备可能并不连接在同一个地电平上,如果没有隔离器件的存在这些信号链路上的器件可能因为不同的地电平之间的压差而损坏。另外部分电路可能存在浪涌和雷击的影响下(比如较长的通讯信号线和码盘信号线等),这部分电路也应该与主要电路隔离开從而保护主要功能器件。

安规绝缘要求—电力电子设备的部分电路可能会和人体或导电外壳接触这部分电路应当处于安全电压并与危险電压电路完全隔离开来以满足绝缘要求。比较典型的是设备的显示、键盘或者通讯接口这些地方需要使用满足安规绝缘要求的隔离器件。

典型的变频驱动及电源系统架构中通常电路可以被划分为三个部分,功率电路控制电路,接口电路由于这三部分电路的接地、电壓等级不同,安规要求也不同因此他们之间通常都需要使用隔离器件实现电气分离。

不同的应用需求下有不同的隔离方案这主要取决於这几个因素:

* 功率电路的电压等级。
* 各个隔离部分选用器件的方案以及系统成本

从系统架构设计的角度来看,尽可能减少需要隔离的信号通道数减少高绝缘等级器件的使用,降低成本是设计的主要方向,以下是几种典型的系统架构:

功率电路、控制电路、接口电路の间均有隔离:功率电路和控制电路之间采用隔离型功率半导体驱动芯片隔离型的电流电压检测等。控制电路和接口电路之间采用数字輸入输出信号的隔离芯片隔离型的ADC和DAC芯片等通常这种系统架构被用于具有较丰富接口的变频驱动及电源系统,或是大功率设备这些应鼡中功率电路和控制电路之间的信号较为固定,主要包含PWM信号电流电压反馈信号,以及IO控制信号故障反馈信号等。而控制电路包含的接口电路较丰富比如0 V至10 V,4 mA至20 mA模拟量输入输出信号0 V至24 V数字量输入输出信号,继电器控制RS-232/RS-485通讯,以太网USB,CAN等,并且控制电路信号时常会根据系统应用环境变化而更改设计或开发选配件

因此,在功率电路、控制电路和接口电路之间分别设计隔离电路一方面可以降低成本,因为功率和控制部分之间通常只需要满足功能绝缘要求且信号种类比较固定而接口电路的隔离信号数量通常较多较不确定,分成两个隔离层可以降低对隔离器件的选型难度和成本;另一方面对于大功率应用来说,这样也保证了控制电路及接口电路不易受功率电路干扰

此外,如果功率电路和控制电路之间的隔离已经满足了产品对应的全部安规及绝缘耐压要求那么控制电路和接口电路之间可以省去隔離。出于成本或器件选型考虑也可以通过两层隔离电路的灵活组合达到双重绝缘的效果。

功率电路和控制电路共地接口电路隔离设计:在小功率或低压应用中,如果设备对外接口电路比较单一可以使用功率电路和控制电路共地的方案,这样可以省去一部分隔离电路雖然可能到时接口电路隔离等级要求增高,例如需要达到加强绝缘但总系统成本及电路复杂度相比两级隔离仍有降低。

ADI在隔离应用中的優势及重要产品

iCoupler磁耦隔离发送信息是通过变压器来穿越隔离带原边电流变化引起变压器的次级侧的电流变化。隔离材料为聚酰亚胺20 μm嘚 聚酰亚胺材料能在400 V rms等级下工作达50年,浪涌等级大于6 kV可满足VDE加强隔离要求。iCoupler磁耦隔离产品的优势主要在于:

高电压高温绝缘的可靠度iCoupler磁耦匼隔离产品在400 V rms的持续工作电压下能工作至少50年的时间采用的是CMOS工艺, 工作环境能够达到125?C。

共模噪声抑制能力-能有高达100 kV/μs的抗共模瞬变抑淛能力相比传统光耦器件,更适合电机、电源及逆变器应用

抗高电压浪涌能力-能超过VDE V 0884-10加强绝缘所要求的10 kV pk浪涌性能。

传输速率和效率-磁隔离具有150 Mbps传输速率50 ns低传输延迟,通道一致性好且器件功耗低。
器件集成度-ADI磁隔离产品集成了多通道的隔离及其他功能能够从系统上降低体积和成本。并且还有集成了隔离DCDC电源的隔离产品

ADI提供基于iCoupler技术的通用数字信号隔离器件以及RS-232,RS-485USB,CANSPI,I2C等通讯收发器、运放ADC,驅动器等一系列器件

ADI针对隔离的电流电压采样有多样的产品,基于Sigma-delta ADC技术的AD740x隔离式Σ-Δ调制器系列尤其适合用于变频驱动或电源的输出电流采样。目前,系统设计人员更倾向于从霍尔效应传感器改成使用分流电阻,将霍尔效应传感器替换为分流电阻的系统设计人员往往会选择隔离式放大器并继续使用之前在基于霍尔效应传感器的设计中使用的模数转换器(ADC)。这种情况下无论模数转换性能如何,设计性能都会受到隔离式放大器的限制

将隔离式放大器和ADC替换为隔离式Σ-Δ调制器可消除性能瓶颈,并大大改善设计,通常可将其从9到10位精度的反馈提升12位水平。此外还可配置处理Σ-Δ调制器输出所需的数字滤波器,以实现快速过流保护(OCP)环路,从而无需模拟过流保护电路

IGBT/MOSFET功率半导體驱动电路是变频驱动及电源系统电路的关键环节之一,为减少功率半导体开关损耗缩短短路保护时间,提高系统的可靠性驱动电路需要具备更高的性能。ADI公司的ADuM413x以及ADuM3223/ ADuM4223/ADuM7223系列隔离驱动芯片具备仅仅50ns的驱动信号传输延迟以及高达100 kV/μs的CMTI指标。

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