馬達驅動器應用中的絕緣需求

在工業應用中，最常見的就是馬達控制的應用，例如風扇, 傳送帶,機械手臂或電子式壓縮機等等。這一些應用都需要透過變頻驅動器控制馬達，並透過感測器偵測馬達的轉速或位置，透過適當的控制機制，可以有效的提升馬達的運轉效能與精準度。

大多數的馬達驅動器輸入電源都是交流電，在設計內部線路時，必須考量安全措施，以確保操作人員的安全。

在國際電工協會中有訂定UL 61800-5-1是馬達驅動系統的安全標準，此標準制定了人可觸及的系統器件以及部件之間須保持的絕緣等級。本文討論馬達驅動器中，電源轉換器可以應用的位置，以及需要注意的地方。

 

常見應用方塊圖

圖1是馬達驅動器示意圖，主要可以分成幾個部分

• 整流器，主要是將交流電轉為直流電的部分，示意圖是使用二極體整流，欲提升功耗或者功因的情況，也可以使用PFC的轉換器.
• 功率轉換器，將直流電轉換成交流電的部分，示意圖是使用SiC做為功率轉換零件，市面上也常見使用IGBT或者是GaN, Si MOSFET的應用.
• 控制器，內部包含偵測器與控制器以及通訊介面，透過偵測器讀取電壓, 電流, 轉速等資料，再透過PWM訊號控制功率轉換器，也可以透過通訊界面傳送資料給遠端控制者.

從圖1中可以看到，僅有在控制器的部分會使用到隔離型的轉換器，例如從交流電轉成控制器輔助電源的轉換器，供電給隔離偵測器, 訊號收發器以及閘極驅動器隔離電源的轉換器。各別的絕緣需求則需要看應用而定。

 

在馬達驅動器中的絕緣需求，可以參考UL 61800-5-1的規範，表1為UL 61800-5-1中的電壓分類表(Decisive Voltage Classes, DVC)，表中是將不同的工作電壓分類。例如，如果是230Vac的話，在此表中即為C類。

表1 電壓分類表

DVC	Limits of working voltage
	A.C. Voltage            (rms)	A.C. Voltage         (peak)	D.C. Voltage            (mean)
A	25	35.4	60
B	50	71	120
C	1000	4500	1500
D	>1000	>4500	>1500

 

表2為UL 61800-5-1中的電路保護要求，表中標示了不同工作電壓等級對地以及其他位置的絕緣需求。舉個例子，如果一次側工作電壓等級為A，二次側工作電壓等級為C，那此應用的絕緣等級就需要Protective Separation，此等級是基礎絕緣(basic insulation) 上額外增加的獨立絕緣(independent insulation)，或者等於增強絕緣(reinforce insulation)。

表2 電路保護要求

DVC	Protection  req.	Insulation to earthed	Insulation to conductive part	Insulation to adjacent circuit of DVC
				A	B	C	D
A	No	Functional	Functional	Functional	Basic	Protective	Protective
B	Yes	Basic	Protective		Basic	Protective	Protective
C	Yes	Basic	Protective			Basic	Protective
D	Yes	Basic	Protective				Protective

 

絕緣需求

圖2與3皆是馬達驅動器的常見應用方塊圖，透過UL 61800-5-1的電壓分類表，可以將控制器內的應用分類。

假設馬達驅動器的輸入電源為380Vac，從圖2中可以看到

• 交流轉直流轉換器

假設輸入端為220Vac，從表1可以得知為C級，在此應用，輸出電壓大多為5V，因此為A級，從表2可以得知，絕緣等級必須要Protective Separation.

• 閘極驅動器與隔離電源

輸入端與MCU以及Case接在一起，輸出端驅動SiC模組，從表1可以得知驅動器的輸入端為A級，輸出端為C級。再透過表2可以得知，絕緣等級必須要Protective Separation.

• 隔離偵測器與隔離電源

輸入端與MCU以及Case接在一起，輸出端接馬達的驅動電壓，從表1可以得知驅動器的輸入端為A級，輸出端為C級。再透過表2可以得知，絕緣等級必須要Protective Separation.

• 訊號收發器與隔離電源

輸入端是接MCU，輸出端是接到後端系統，從表1可以得知收發器的兩端皆是A級，透過表2可以得知絕緣等級只要Functional即可.

圖2與圖3最大的差異是，控制模組、閘極驅動器、隔離偵測器的輸入端是接到功率轉換器的負端，MCU再透過數位隔離器與控制模組傳送與接收訊息。透過UL 61800-5-1的電壓分類表，可以將控制器內的應用分類。

假設馬達驅動器的輸入電源為380Vac，從圖3中可以看到

• 交流轉直流轉換器

與圖2相同，絕緣等級必須要Protective Separation.

• 閘極驅動器與隔離電源

輸入與輸出端都是接到馬達驅動器，在表1中可以得知輸入端與輸出端都是C級。透過表2可以得知必須要Basic.

• 隔離偵測器與隔離電源

輸入端接到控制模組，輸出端接馬達的驅動電壓，在表1中可以得知輸入端與輸出端都是C級。透過表2可以得知必須要Basic.

• 數位隔離器與隔離電源

輸入端與MCU以及Case接在一起，輸出端接到馬達驅動，在表1中可以得知輸入端是A級，輸出端是C級。透過表2可以得知，絕緣等級必須要Protective Separation.

• 訊號收發器與隔離電源

與圖2相同，絕緣等級只要Functional即可.

從兩個常見的馬達驅動器方塊圖中，可以得知不同應用位置必須對應不同的絕緣需求。在圖2的應用中，由於MCU的地與Case接在一起，並透過隔離的閘極驅動器控制功率轉換器，以及透過隔離的偵測器偵測馬達的電壓與電流，這兩個應用的絕緣等級就必須要使用Protective Separation或者是Reinforce。

相同的應用，在圖3中，由於閘極驅動器與偵測器的地與功率轉換器相同，因此絕緣等級就只要用到Basic，但在圖3的應用中，必須多一個絕緣等級為Protective Separation或者是Reinforce的數位隔離器。

 

表3 馬達驅動器內部的絕緣需求

Note			Figure 2	Figure 3
1	AC/DC Converter		Protective Separation	Protective Separation
2	Gate Driver	Circuit	Protective Separation	Basic
		Power
3	Current  &  Voltage Sense	Sensor	Protective Separation	Basic
		Power
4	Communication Port	Transceiver	Functional	Functional
		Power
5	Digital Isolator	Isolator	NA	Protective Separation
		Power

 

結論

透過應用方塊圖以及UL 61800-5-1中所定義的絕緣要求，列出了馬達驅動器在不同應用方式中，各個位置所需要的絕緣等級，設計者可以選擇適合的材料。或者是透過IEC 62368-1決定轉換器的絕緣距離，才能保障使用者的安全。

 

 

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