在當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜領(lǐng)域中，系統(tǒng)架構(gòu)的選擇宛如基石，深刻影響著電源和控制電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)而全方位塑造系統(tǒng)性能。不同架構(gòu)在面對(duì)從交流電源到負(fù)載的能量流動(dòng)控制任務(wù)時(shí)，因隔離柵位置、信號(hào)處理方式等差異，展現(xiàn)出截然不同的特性。

隔離架構(gòu)與信號(hào)隔離挑戰(zhàn)

以電機(jī)和電源控制逆變器設(shè)計(jì)為例，需將控制和用戶接口電路與危險(xiǎn)的功率線路電壓隔離，這涉及給定、控制和功率三個(gè)電源域。架構(gòu)決策關(guān)鍵在于隔離柵放置位置 —— 給定和控制電路間，抑或控制和功率電路間。隔離柵的引入，雖保障安全，卻影響信號(hào)完整性并增加成本。模擬反饋信號(hào)隔離困難，傳統(tǒng)變壓器方法抑制直流信號(hào)分量且引入非線性;低速數(shù)字信號(hào)隔離簡(jiǎn)單，高速或低延遲場(chǎng)景下則困難且耗電。三相逆變器系統(tǒng)中，電源隔離因多電源域連接至電源電路而尤為棘手，電源電路的四個(gè)不同域需彼此功能性隔離。

非隔離式與隔離式控制架構(gòu)剖析

非隔離式控制架構(gòu)在控制和電源電路間有共同接地連接，電機(jī)控制 ADC 可獲取電源電路所有信號(hào)，繞組電流流入低側(cè)逆變器臂時(shí)，ADC 在基于中心的 PWM 信號(hào)中點(diǎn)采樣。低側(cè) IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器簡(jiǎn)單，PWM 信號(hào)與高側(cè) IGBT 柵極隔離需功能性隔離或電平移位轉(zhuǎn)換。此架構(gòu)在命令和控制電路隔離方面的復(fù)雜性取決于應(yīng)用，簡(jiǎn)單處理器管理家用或低端工業(yè)應(yīng)用接口尚可，但因命令接口高帶寬要求，在高性能驅(qū)動(dòng)器(如機(jī)器人和自動(dòng)化應(yīng)用)中少見(jiàn)。

隔離式控制架構(gòu)在控制和命令電路間有共同接地連接，使兩者緊密耦合，可使用單個(gè)處理器，隔離問(wèn)題轉(zhuǎn)至電源逆變器信號(hào)。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)需相對(duì)高速數(shù)字隔離滿足逆變器時(shí)序要求，高電壓下，磁性或光學(xué)耦合驅(qū)動(dòng)器在高隔離要求逆變器應(yīng)用中表現(xiàn)出色。直流母線電壓隔離電路要求適中，電機(jī)電流反饋在高性能驅(qū)動(dòng)器中是難題，需高帶寬和線性隔離。電流互感器(CT)在低端逆變器廣泛應(yīng)用，雖低電流時(shí)非線性且不傳輸直流電平，但大功率逆變器采用分流電阻采樣損耗大時(shí)，CT 仍被選用。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器適合高端驅(qū)動(dòng)器但受失調(diào)影響，阻性分流器提供高帶寬、線性信號(hào)且偏移低，需與高帶寬、低偏移隔離放大器匹配。

架構(gòu)選擇對(duì)電源電路設(shè)計(jì)的影響

從電源輸出隔離角度看，兩種控制架構(gòu)都面臨支持多個(gè)隔離電源域難題，若每個(gè)域需多個(gè)偏置軌則更難實(shí)現(xiàn)。例如在三相功率因數(shù)校正(PFC)系統(tǒng)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇影響重大。兩電平與三電平拓?fù)鋵?duì)比，三電平拓?fù)溟_(kāi)關(guān)損耗減小，升壓電感器電流紋波變小，EMI 降低，因其開(kāi)關(guān)損耗與施加電壓二次方成正比，三電平中部分開(kāi)關(guān)或二極管僅承受一半總輸出電壓，相同電感值下，電感器峰峰值電壓也減半，利于減小電流紋波和電感器尺寸、成本，同時(shí)降低 EMI。

開(kāi)關(guān)頻率對(duì)電氣設(shè)計(jì)多方面有影響，提高頻率可減小無(wú)源元件尺寸、降低系統(tǒng)重量和成本，但開(kāi)關(guān)損耗隨之增加。新開(kāi)關(guān)技術(shù)如碳化硅(SiC)MOSFET 可用于 100kHz 以上，配合肖特基 SiC 二極管等，能在提升頻率同時(shí)降低開(kāi)關(guān)損耗。調(diào)制方案方面，在平衡三相系統(tǒng)中，不同調(diào)制技術(shù)(如 SVPWM、對(duì)稱 PWM、三次諧波注入等)決定 PWM 序列，影響系統(tǒng)性能，如減少頻譜頻率含量、降低開(kāi)關(guān)和二極管電壓應(yīng)力等。

架構(gòu)選擇對(duì)系統(tǒng)性能的整體作用

系統(tǒng)架構(gòu)選擇還影響系統(tǒng)可靠性。以電動(dòng)汽車電源架構(gòu)為例，傳統(tǒng)集中式電源架構(gòu)成本低，但故障管理、電壓調(diào)節(jié)困難，易受噪音影響，元件高重，且缺乏冗余，單個(gè)元件故障可能致系統(tǒng)故障。分布式電源架構(gòu)為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配專用偏置電源，提高系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)故障反應(yīng)能力，如 UCC14240 - Q1 隔離式直流 / 直流偏置電源模塊，集成變壓器和元件，減小尺寸、高度和重量，提高共模瞬變抗擾度(CMTI)，降低 EMI，確保更簡(jiǎn)單的印刷電路板布局布線和更好的電壓調(diào)節(jié)，提升牽引逆變器效率和可靠性。

綜上所述，系統(tǒng)架構(gòu)選擇貫穿電源和控制電路設(shè)計(jì)全程，從信號(hào)隔離、電源拓?fù)涞较到y(tǒng)可靠性等多方面，深刻影響系統(tǒng)性能。在設(shè)計(jì)創(chuàng)新系統(tǒng)時(shí)，工程師需綜合考量，評(píng)估不同架構(gòu)、電路和元件，在滿足安全隔離等標(biāo)準(zhǔn)前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。