數(shù)字隔離器在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
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時(shí)間：2016-12-16
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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?？刂齐娐放c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(lèi)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。
評(píng)論