簡(jiǎn)介
工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用的電子控制必須能在惡劣的電氣環(huán)境中提供較高的系統(tǒng)性能。電源電路會(huì)在電機(jī)繞組上導(dǎo)致電壓沿激增現(xiàn)象,而這些電壓沿則可以電容耦 合進(jìn)低電壓電路之中。電源電路中,電源開(kāi)關(guān)和寄生元件的非理想行為也會(huì)產(chǎn)生感性耦合噪聲。控制電路與電機(jī)和傳感器之間的長(zhǎng)電纜形成多種路徑,可將噪聲耦合到控制反饋信號(hào)中。高性能驅(qū)動(dòng)器需要必須與高噪聲電源電路隔離開(kāi)的高保真反饋控制和信號(hào)。在典型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,包括隔離柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào),以便將逆變器、電流和位置反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)到電機(jī)控制器,以及隔離各子系統(tǒng)之間的通信信號(hào)。實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離時(shí), 不得犧牲信號(hào)路徑的帶寬,也不得顯著增加系統(tǒng)成本。光耦合器是跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)安全隔離的傳統(tǒng)方法。盡管光耦合器已使用數(shù)十年,其不足也會(huì)影響系統(tǒng)級(jí)性能。

變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛使用要?dú)w功于高效電源開(kāi)關(guān)和具有成本優(yōu)勢(shì)的電子控制電路。設(shè)計(jì)上的困難則是用低壓控制電路耦合高功率開(kāi)關(guān)電路,而不犧牲抗噪性能或開(kāi)關(guān)速度。

圖1. 包括寄生元件的逆變器電路。

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)逆變器的效率一般超過(guò)95%,所用功率晶體管開(kāi)關(guān)還可連接高壓直流軌高軌與低軌之間的電機(jī)繞組。這一過(guò)程可以減少逆變器的損耗,因?yàn)楣β示w管工作于完全飽和模式下,而該模式會(huì)降低傳導(dǎo)時(shí)的壓降和功率損耗。開(kāi)關(guān)過(guò)程中還存在額外的功率晶體管損耗,因?yàn)樵诖似陂g,晶體管上有一較大的電壓,與此同時(shí),負(fù)載電流在高、低功率設(shè)備之間進(jìn)行切換。功率半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)出IGBT之類開(kāi)關(guān)時(shí)間較短的晶體管,以減少這 種開(kāi)關(guān)功率損耗。然而,這種較高的開(kāi)關(guān)速度也會(huì)帶來(lái) 一些無(wú)用的副作用,比如開(kāi)關(guān)噪聲增加。

在驅(qū)動(dòng)器控制端,VLSI工藝的持續(xù)進(jìn)步改善了混合信號(hào) 控制電路的成本和性能,為高級(jí)數(shù)字控制算法的廣泛應(yīng) 用以及交流電機(jī)效率的提高創(chuàng)造了條件。提升性能付出 的代價(jià)是IC工作電壓從12 V至5 V降低至現(xiàn)在的3.3 V, 結(jié)果提高了對(duì)噪聲的靈敏度。這種傳統(tǒng)的噪聲過(guò)濾方法 通常不太適用,因?yàn)橥枰S持驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的帶寬,而 帶寬一般都是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數(shù)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器環(huán)境
三相逆變器是一種功率電子開(kāi)關(guān)電路，控制功率從直流供電軌到三個(gè)交流電機(jī)繞組的流動(dòng)。逆變器有三條相同的腿，每條腿包括兩個(gè)IGBT晶體管和兩個(gè)二極管，如圖1所示。每個(gè)電機(jī)繞組均連接至通過(guò)分流器連接高端晶體管和低端晶體管的同一節(jié)點(diǎn)。逆變器使電機(jī)繞組在直流總線的高壓軌和低壓軌之間切換，以控制平均電壓。繞組具有極高的電感性，將阻擋電流的變化，因此，當(dāng)功率晶體管關(guān)閉時(shí)，電流將開(kāi)始在連接至相反電源軌的二極管中流動(dòng)。這樣，即使逆變器功率設(shè)備和直流鏈路電容中存在斷續(xù)傳導(dǎo)，也會(huì)有電流連續(xù)流到電機(jī)繞組中。電機(jī)繞組阻抗充當(dāng)來(lái)自逆變器的高壓脈沖寬度調(diào)制方波輸出電壓的低通濾波器。將低壓控制電流連接至逆變器時(shí)存在巨大的困難。一個(gè)基本問(wèn)題是，高端晶體管發(fā)射器節(jié)點(diǎn)在高壓總線高供電軌與低供電軌之間切換。首先，高端驅(qū)動(dòng)器必須能夠驅(qū)動(dòng)相對(duì)于一個(gè)發(fā)射器(可能比共用輸入信號(hào)高300 V或以上)的柵極信號(hào)。其次，通過(guò)分流器(vsh)的電機(jī)電流信號(hào)必須從300 V或以上的共模電壓中提取出來(lái)。其他問(wèn)題將由電源電路中的寄生元件導(dǎo)致。當(dāng)功率晶體管或二極管的開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)1 A/ns時(shí)，即使是10 nH的PCB走線電感也可能導(dǎo)致顯著的電壓(>10 V)。寄生電感和部件電感會(huì)導(dǎo)致振鈴，結(jié)果使設(shè)備開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的噪聲脈沖的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。甚至電機(jī)電纜的高頻阻抗也可能帶來(lái)問(wèn)題，因?yàn)槌鲇诎踩紤]，配電板可能離電機(jī)很遠(yuǎn)。其他效應(yīng)包括噪聲從電機(jī)耦合到反饋傳感器信號(hào)中，其原因是快速切換的繞組電壓波形。問(wèn)題將變得更加嚴(yán)重，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路的功率額定值將增加電路板的物理尺寸，結(jié)果將進(jìn)一步增加寄生電感，甚至提高電流和電壓開(kāi)關(guān)速率。

通過(guò)隔離控制和電源電路消除噪聲耦合現(xiàn)象，是應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題的主要工具之一。隔離電路的性能是決定驅(qū)動(dòng)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸位置編碼器將產(chǎn)生頻率為100 kHz或以上的數(shù)字脈沖流。然而，在許多情況下，編碼器上安裝的電路會(huì)提高設(shè)備的精度，并使數(shù)據(jù)速率增加到10 Mbps以上。另外，跨越分流器的反饋信號(hào)也可以隔離，方法是先把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字位流，然后把該位流與低功耗電路隔離開(kāi)來(lái)。這種情況下，數(shù)據(jù)速率為10 Mbps至20 Mbps。柵極驅(qū)動(dòng)電路所需要的開(kāi)關(guān)性能似乎并不高，因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)速率很少超過(guò)20 kHz。然而，需要在高端設(shè)備和低端設(shè)備的開(kāi)關(guān)信號(hào)之間插入一個(gè)死區(qū)，以防止發(fā)生直通。死區(qū)為功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)閉延遲以及隔離電路所致延遲的不確定性的函數(shù)。死區(qū)延長(zhǎng)會(huì)給逆變器傳遞函數(shù)帶來(lái)更多非線性，結(jié)果將產(chǎn)生無(wú)用的電流諧波，并可能降低驅(qū)動(dòng)效率。因此，跨越電源電路和控制電路之間的隔離柵發(fā)送數(shù)據(jù)的方法不得在開(kāi)關(guān)過(guò)程中帶來(lái)時(shí)序的不確定性，并須具備較強(qiáng)的抗噪能力。

隔離器技術(shù)傳輸速率比較
隔離不得給整體系統(tǒng)性能帶來(lái)任何顯著的時(shí)序不確定性或時(shí)序誤差。標(biāo)準(zhǔn)光耦合器的傳播延遲為微秒級(jí)，可能因器件而異，因溫度和壽命而異。光耦合器技術(shù)在時(shí)序性能方面存在一些根本的不足，而現(xiàn)代數(shù)字隔離器采用完全不同的運(yùn)算原則，其速率也更高?？梢栽谟兴壑缘那闆r下增加光耦合器的速率。光耦合器的工作原理是，將來(lái)自LED的光發(fā)送至一種光學(xué)透明的隔離材料，并用另一端的光電二極管檢測(cè)光。光耦合器的速度與光電二極管檢波器的速率以及為其二極管電
容充電的時(shí)間直接相關(guān)。減少傳播延遲的一種方法是增加發(fā)射的光量。通過(guò)提高LED電流，可以使延遲減少2或3倍，但其代價(jià)是設(shè)備功耗會(huì)增加，每個(gè)數(shù)據(jù)通道最高將達(dá)50 mW。提高速度的另一種辦法是通過(guò)使用更薄的隔離柵來(lái)減少光傳輸損耗。為了維持相同的隔離能力，需要增加一層材料，但代價(jià)是成本也將增高。更快的光耦合器比標(biāo)準(zhǔn)的低成本光耦合器要貴許多倍。

相反，數(shù)字隔離器則是采用標(biāo)準(zhǔn)的高速CMOS工藝，并搭載隔離式片內(nèi)微變壓器。其傳輸速率自然比光耦合器快很多。較高的速度是電路和設(shè)計(jì)與生俱來(lái)的特點(diǎn)，不需要更復(fù)雜、成本更高的隔離材料也可實(shí)現(xiàn)更高的速度。變壓器可以以最高150 Mbps的傳輸速率傳遞數(shù)據(jù)，傳播延遲低至32 ns，功耗<5 mW，開(kāi)關(guān)速率為25 kHz或以上。速度更快的另一個(gè)好處是，通道間的匹配優(yōu)于5 ns，比標(biāo)準(zhǔn)光耦合器高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)，僅以大約一半的單位通道成本即可實(shí)現(xiàn)比光耦合器快3至4倍的卓越性能。

圖2. 光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3. 基于變壓器的數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)

隔離的抗噪性
在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，隔離還提供了一個(gè)分離噪聲源的機(jī)會(huì)，方法是以電流方式將噪聲從功率開(kāi)關(guān)電路和控制電路之中隔離開(kāi)來(lái)。以下各項(xiàng)之間有安全隔離需求：高壓總線、線路電壓和用戶界面，以同時(shí)保護(hù)人、保護(hù)其他設(shè)備。還需要在功能上使高端開(kāi)關(guān)和低端開(kāi)關(guān)與控制電路相隔離。隔離元件必須能提供必要的隔離，同時(shí)也需對(duì)嘈雜環(huán)境不敏感。

衡量隔離器分離地域之間高速噪聲的能力的指標(biāo)一般稱為共模瞬變抗擾度(CMTI)。CMTI旨在衡量一個(gè)隔離器在隔離器數(shù)據(jù)通信不被噪聲打斷的情況下，對(duì)隔離柵中的電壓噪聲的抑制能力。其單位是kV/μs瞬變。

電壓瞬變?cè)肼暱缭礁綦x柵的路徑一般是寄生電容跨過(guò)隔離器中的隔離柵。光耦合器的CMTI一般較差，為15 kV/μs。一些現(xiàn)代數(shù)字隔離器采用電容耦合數(shù)據(jù)隔離技術(shù)，其信號(hào)和共模噪聲使用同一路徑。基于變壓器的隔離器(如ADI的iCoupler數(shù)字隔離器)的信號(hào)路徑不同于噪聲路徑，其CMTI的值一般為50 kV/μs或以上。

隔離材料和可靠性
數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶圓材料。非標(biāo)準(zhǔn)材料會(huì)使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致可制造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞胺PI，它可以旋涂成薄膜)和二氧化硅(SiO2)。二者均具有眾所周知的絕緣特性，并且已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎(chǔ)，作為高壓絕緣體具有悠久的歷史。

安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定1分鐘耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)規(guī)定更短的持續(xù)時(shí)間、電壓浪涌(如10 kV峰值并持續(xù)50 µs)作為增強(qiáng)絕緣認(rèn)證的一部分要求。聚合物/聚酰亞胺隔離器可提供最好的隔離特性(見(jiàn)表1)。聚酰亞胺數(shù)字隔離器與光耦合器類似，在典型工作電壓下，工作壽命超過(guò)電機(jī)，額定使用壽命為50年。SiO2隔離器的工作壽命與之接近，但是，對(duì)高能浪涌的保護(hù)能力卻較弱。

在高溫連續(xù)使用的情況下，影響光耦合器壽命的可能不是隔離材料的分解而是LED磨損。當(dāng)溫度>85°C時(shí)，工作1萬(wàn)小時(shí)，光耦合器的電流傳輸比(CTR)將下降10%至20%。10萬(wàn)小時(shí)時(shí)，CTR可能會(huì)下降一半或以上。

表1. 隔離材料性能比較

集成可能性
光耦合器LED和優(yōu)化的光檢波器不兼容低成本CMOS技術(shù)。要集成帶去飽和檢測(cè)功能的柵極驅(qū)動(dòng)、用Σ-Δ ADC實(shí)現(xiàn)隔離電流檢測(cè)以及多向數(shù)據(jù)流等其他功能，就必須采用多芯片解決方案，結(jié)果將使帶這些功能的光耦合器變得非常昂貴。采用CMOS技術(shù)和隔離式變壓器的數(shù)字隔離器可以隨著集成度的提高而自然而然地添加這些功能。由于變壓器也可用來(lái)發(fā)射隔離功率，因此，可從相同的封裝發(fā)射高端功率，而無(wú)需會(huì)給某些應(yīng)用帶來(lái)問(wèn)題的自舉。目前，市場(chǎng)上有基于變壓器的數(shù)字隔離器，在單個(gè)封裝中集成了dc/dc轉(zhuǎn)換器、Σ-Δ ADC、柵極驅(qū)動(dòng)器、I2C、RS-485收發(fā)器、RS-232收發(fā)器和CAN收發(fā)器，使電機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了尺寸和成本的優(yōu)化。

實(shí)用的應(yīng)用電路
展示了柵極驅(qū)動(dòng)、通信和反饋信號(hào)隔離的典型驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。在該系統(tǒng)中，隔離的Σ-Δ ADC用來(lái)測(cè)量電機(jī)繞組電流，數(shù)字位流則由電機(jī)控制IC上的數(shù)字過(guò)濾電路進(jìn)行處理。位置編碼器包含一個(gè)ASIC，由其通過(guò)一個(gè)隔離式RS-485接口將位置和速度數(shù)據(jù)發(fā)送給電機(jī)控制IC。其他隔離式串行接口包括連接PFC的I2C接口以及連接前面板的隔離式RS-232鏈路。在此例中，PWM信號(hào)與逆變器模塊隔離，IGBT由一個(gè)嵌入該模塊中的電平轉(zhuǎn)換柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

圖4. 典型的中型工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

資源
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