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ZHCAD41 August 2023 ISO5451 , ISO5452 , ISO5851 , ISO5852S , ISO7741 , ISO7810 , ISO7820 , ISO7821 , ISO7830 , ISO7831 , ISO7840 , ISO7841 , ISO7842 , UCC23513 , UCC5310 , UCC5320 , UCC5350 , UCC5390

2.2 間隙和爬電距離確定方法示例

為了更好地理解前述的過程，本章介紹了如何根據(jù)圖 2-1 逐步定義絕緣距離的詳細(xì)示例。

步驟 1：要求收集。下面列出了一個(gè)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)格：

I 類設(shè)備（位于機(jī)箱接地的金屬柜中）
標(biāo)稱 220Vac 和 380Vac 的三相電源（Y 形電源），OVC III
工業(yè)污染等級(jí) 2 微環(huán)境
最終用戶所需的隔離（人機(jī)界面 - HMI）
熱側(cè) MCU 控制
工作海拔高度 < 2000m

圖 2-2 顯示了該系統(tǒng)的方框圖。

圖 2-2 隔離式工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型方框圖

步驟 2：電壓塊定義。該步驟指定電氣原理圖中的電壓塊。沒有內(nèi)部電流隔離的電路，其中針對(duì)間隙，兩個(gè)導(dǎo)體之間的電壓不能高于 50Vac 和 120Vdc。

圖 2-3 顯示了根據(jù)步驟 1 的方框圖定義的所有電壓塊。

圖 2-3 隔離式工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型電壓塊

步驟 3：確定絕緣類型和 OVC 等級(jí)。絕緣類型包括基本絕緣、功能絕緣和增強(qiáng)絕緣。OVC 等級(jí)包括 I、II、III 和 IV。表 2-1 顯示了每個(gè)電壓塊之間的絕緣類型和 OVC 等級(jí)。

表 2-1 每個(gè)電壓塊之間的絕緣類型和 OVC 等級(jí)

絕緣類型 OVC	電壓塊
絕緣類型 OVC	A	B	C	D	E	F	G	H	U	V	W
A		BASIC	BASIC	BASIC	BASIC	BASIC	BASIC	增強(qiáng)	BASIC	BASIC	BASIC
B	III		BASIC	BASIC	BASIC	BASIC	BASIC	增強(qiáng)	BASIC	BASIC	BASIC
C	III	III		BASIC	BASIC	BASIC	BASIC	增強(qiáng)	BASIC	BASIC	BASIC
D	III	III	III		FUNCTIONAL	FUNCTIONAL	BASIC	增強(qiáng)	FUNCTIONAL	FUNCTIONAL	FUNCTIONAL
E	III	III	III	I		FUNCTIONAL	BASIC	增強(qiáng)	FUNCTIONAL	FUNCTIONAL	FUNCTIONAL
F	III	III	III	I	I		BASIC	增強(qiáng)	FUNCTIONAL	FUNCTIONAL	FUNCTIONAL
G	III	III	III	III	III	III		BASIC	BASIC	BASIC	BASIC
H	III	III	III	III	III	III	I		增強(qiáng)	增強(qiáng)	增強(qiáng)
U	III	III	III	I	I	I	III	III		FUNCTIONAL	FUNCTIONAL
V	III	III	III	I	I	I	III	III	I		FUNCTIONAL
W	III	III	III	I	I	I	III	III	I	I

步驟 4：確定工作電壓 (WV)。間隙 (CL) 額定工作電壓為峰值（請(qǐng)參閱 IEC60664-1 的表 B），爬電距離 (CR) 工作電壓為 RMS 值。IEC60664-1 的表 B 包含 50V、100V、150V、300V、600V、1000V 這 6 級(jí)工作電壓。表 2-2 顯示了每個(gè)電壓塊之間的間隙和爬電距離的工作電壓。工作電壓值是通過仿真和計(jì)算得出的。

表 2-2 每個(gè)電壓塊之間的工作電壓

CR 的 CL_WV WV (V)	電壓塊
CR 的 CL_WV WV (V)	A	B	C	D	E	F	G	H	U	V	W
A		300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_440ac⁽²⁾	300_440ac	300_440ac
B			300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_440ac	300_440ac	300_440ac
C				300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac	300_440ac	300_440ac	300_440ac
D					300_565dc⁽¹⁾	300_565dc	300_400ac	300_400ac	300_565dc	300_565dc	300_565dc
E						300_565dc	300_400ac	300_400ac	300_565dc	300_565dc	300_565dc
F							300_400ac	300_400ac	300_565dc	300_565dc	300_565dc
G								50_10ac	300_400ac	300_400ac	300_400ac
H									300_400ac	300_400ac	300_400ac
U										300_400ac	300_400ac
V											300_400ac
W

(1) 565V 是 Vbus 電壓 = √2 × 400V

(2) 440V 是仿真結(jié)果 = 1.1 × 市電線電壓

第 5 步和第 6 步：間隙和爬電距離定義。

間隙距離：IEC60664-1 的表 F.1 根據(jù)每個(gè)工作電壓和 OVC 等級(jí)定義了額定脈沖電壓，而表 F.2 定義了承受瞬態(tài)過壓的間隙。間隙大小應(yīng)能夠承受表 F.1 和 F.2 要求的脈沖耐受電壓。對(duì)于脈沖電壓，應(yīng)按照表 F.2 中與額定脈沖電壓對(duì)應(yīng)的規(guī)定確定增強(qiáng)絕緣的間隙大小，但在首選系列值中比基本絕緣規(guī)定的值高一級(jí)。

對(duì)于 220V 或 380V 系統(tǒng)，具有功能隔離的 OVC1 的脈沖電壓為 1500V，具有基本隔離的 OVCIII 的脈沖電壓為 4000V，增強(qiáng)絕緣的脈沖電壓為 6000V。那么污染等級(jí) 2 對(duì)應(yīng)的間隙為：1500V（具有功能隔離）為 0.5mm，4000V（具有基本隔離）為 3mm，6000V（具有增強(qiáng)隔離）為 5.5mm。

爬電距離：IEC60664-1 的表 F.4 根據(jù)印刷電路板的不同污染等級(jí)和材料組定義了避免發(fā)生故障，功能絕緣和基本絕緣所需的爬電距離。增強(qiáng)絕緣的爬電距離應(yīng)為表 F.4 中基本絕緣的爬電距離的兩倍。IEC61800-5-1 還規(guī)定，當(dāng)爬電距離小于脈沖電壓確定的間隙時(shí)，應(yīng)增加到該間隙。

方程式 1. Creepage for 400-V working voltage = 2 mm (functional, basic), 4 mm (reinforced)

方程式 2. Creepage for 440-V working voltage = 40 V × (2.5 mm – 2 mm) / (500 V – 400 V) + 2 mm = 2.2 mm

方程式 3. Creepage for 565-V working voltage = 65 V × (3.2 mm – 2.5 mm) / (630 V – 500 V) + 2.5 mm = 2.8 mm

表 2-3 顯示了每個(gè)電壓塊之間的間隙和爬電距離。

表 2-3 間隙和爬電距離定義

CL_CR PD2 (mm)	電壓塊
CL_CR PD2 (mm)	A	B	C	D	E	F	G	H	U	V	W
A		3_2	3_2	3_2	3_2	3_2	3_2	5.5_4	3_2.2	3_2.2	3_2.2
B			3_2	3_2	3_2	3_2	3_2	5.5_4	3_2.2	3_2.2	3_2.2
C				3_2	3_2	3_2	3_2	5.5_4	3_2.2	3_2.2	3_2.2
D					0.5_2.85	0.5_2.85	3_2	5.5_4	0.5_2.85	0.5_2.85	0.5_2.85
E						0.5_2.85	3_2	5.5_4	0.5_2.85	0.5_2.85	0.5_2.85
F							3_2	5.5_4	0.5_2.85	0.5_2.85	0.5_2.85
G								0.2_0.04	3_2	3_2	3_2
H									5.5_4	5.5_4	5.5_4
U										0.5_2	0.5_2
V											0.5_2
W

最后，選擇間隙和爬電距離之間的最大值作為絕緣距離，然后將這些值輸入 PCB 設(shè)計(jì)工具作為約束規(guī)則，如表 2-4 所示。

表 2-4 PCB 上的絕緣距離

間距網(wǎng)絡(luò)名稱	CR_Inner Layer (mm)	CR_Outer Layer (mm)	CL (mm)
A、B、C - A、B、C	3	3	3
A、B、C - D、E、F	3	3	3
A、B、C - G	3	3	3
A、B、C - H	5.5	5.5	5.5
A、B、C - U、V、W	3	3	3
D、E、F - D、E、F	2.85	2.85	0.5
D、E、F - G	3	3	3
D、E、F - H	5.5	5.5	5.5
D、E、F - U、V、W	2.85	2.85	0.5
G - H	0.2	0.2	0.2
G - U、V、W	3	3	3
H - U、V、W	5.5	5.5	5.5
U、V、W - U、V、W	2	2	0.5

根據(jù)規(guī)定的要求，工作海拔高度在 2000 米以下。當(dāng)產(chǎn)品或電路板要求海拔高度高于 2000m 時(shí)，務(wù)必考慮海拔高度校正因數(shù)。IEC60664-1 的表 A.2 定義了空氣間隙的倍增系數(shù)。例如，4000m 海拔高度校正因數(shù)為 1.29。2000m 的間隙距離為 3mm，則 4000m 的間隙為 3mm × 1.29 = 3.87mm。