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开关电源系统中的局部放电
时间:2021-12-18 08:24:36 点击次数:720

这里先解释一下安全二次侧电压SELV的含义,SELV是safety extra low voltage的缩写,指的是不超过50Vrms的交流电压和不超过120V的直流电压,是为了防止触电事故而由特定开关电源供电所采用的电压。

SELV通常用于给人机接口,液晶屏,按键等人体可以直接触摸到的设备供电,可以避免操作人员遭受电击,威胁到生命安全,所以,SELV电路与一次侧高压端之间必须是加强绝缘,同时还需要注意,如果一次测高压端与SELV电路之间的重复峰值电压超过了750V,并且,在绝缘层厚度方向上的电压应力超过了1KV/mm,则还必须增加局部放电测试认证。

如图4所示三相变频器中,左下角绿色虚线围起来的部分就是SELV电路,辅助开关电源SPS左侧的供给MCU+24V+5V两路开关电源SPS的其余的电压输入输出电气连接点之间,都必须满足加强绝缘要求。

 

4.三相变频器结构框图

以三相480V变频器为例,交流输入线电压为480Vrms,则其母线电压平均值为480*1.35=648Vdc,也就是进入辅助开关电源SPS的工作电压就是648V,这个电压值已经非常接近750V这个阈值,同时,需要注意的是,750V阈值电压是在整机实际运行过程中,实际测试得到的一次侧高压端与SELV电路之间的重复峰值电压,用高压差分探头分别勾取两边的监测点,若此电压超过750V,同时,在绝缘层厚度方向上的电压应力超过了1KV/mm,则局部放电测试认证必做。

假设辅助开关电源SPS采用了经典的单管反激变换器,如图5所示,SPS从变频器的BUS电容上取电,这里为了简化电路,变压器T1的输出只设计了两路输出电压,分别给IGBT的驱动器和MCU侧供电,从前面的定义可以看出,给MCU供电的+24V_CONTROL就是SELV电路,需要与其他电路之间做加强绝缘处理,也就是变压器T1pin12-pin14所在的绕组与其余绕组之间必须满足加强绝缘要求,同时,在PCB板上,+24V_CONTROL所在电路与其他电路之间的爬电距离也必须满足加强绝缘要求。

 

5.单管反激变换器简图

回到本文的重点,接下来测试一次侧高压端与SELV电路之间的重复峰值电压是否超过750V阈值电压。有经验的同学都知道,在开关电源中,重点是要找到变换器中的动点,也就是电压的变化率dv/dt最大的节点,在图5中,一次侧高压端的监测点就可以选为Q1Drain极,也就是变压器T1pin 3,安全二次侧SELV的监测点既可以选择变压器T1pin 12,也可以选择变压器T1pin 14,最后以正常带载工况下一次侧、二次侧之间检测到最大电压为作为设定局部放电电压UPD的基准。

 

6.重复峰值电压监测示意图

7是一张实测的一次侧高压端与SELV电路之间的重复峰值电压波形图(CH1黄色),可以看到,此电压已经超过了750V的阈值,同时,变压器结构中绕组与绕组之间的麦拉绝缘胶带通常为2层,每层的厚度都小于0.1mm,所以,需要增加局部放电测试认证是板上钉钉了。

 

7.重复峰值电压实测波形图

说到这里,估计有的同学就会问了,为什么以前没有做过局部放电这项测试呢?原因主要有两点:

1

以前确实没有对应的安规标准要求强制通过局部放电测试,变频器中增加这项测试也是约四年前的事;

2

开关电源整机降成本带来的附赠产物,如图8所示,以前传统的给SELV电路供电是采用两级变换器的方式,先通过一级DC-DC变换器将BUS母线降低为48V或者更低,再通过一级隔离DC-DC变换器给SELV电路供电,因为第二级隔离DC-DC变换器之间的压差不可能超过750V阈值,所以,局部放电测试就无需再做,只需要满足对应的加强绝缘要求即可。

 

但是,现在的开关电源整机由于降成本的压力,与图5所示一样,将传统的两级变换器改为一级DC-DC变换器,同时给SELV电路和其他的比如驱动电路等供电,赶上新的安规标准的执行,那局部放电测试就和其他安规项目一样,成为必修课了。

 

8.传统SELV两级变换器供电方式

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