利用數(shù)字隔離器技術(shù)增強(qiáng)工業(yè)電機(jī)控制性能

這些功能由柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行(比如GDRVaL/GDRVaH等，如圖3所示)。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器IC都需要一個(gè)以處理器地為基準(zhǔn)的原邊電源電壓和一個(gè)以晶體管發(fā)射極為基準(zhǔn)的副邊電源。副邊電源的電壓電平必須能夠開啟功率晶體管(通常為15V)，并有足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力來給晶體管柵極充電和放電。

　　功率晶體管有一個(gè)有限的開關(guān)時(shí)間，因此，高端和低端晶體管之間的脈寬調(diào)制波形中必須插入一個(gè)消隱或死區(qū)時(shí)間，如圖4所示。 這是為了防止兩個(gè)晶體管意外同時(shí)打開，引起高壓直流總線短路，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障和/或損壞風(fēng)險(xiǎn)。 死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度由兩個(gè)因素決定：晶體管開關(guān)時(shí)間和柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲失配(包括失配的任何漂移)。換言之，死區(qū)時(shí)間必須考慮PWM信號(hào)從處理器到高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)器之間的晶體管柵極的任何傳播時(shí)間差異。

　　死區(qū)時(shí)間的作用是扭曲施加于電機(jī)的平均電壓，尤其是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)。實(shí)際上，死區(qū)時(shí)間會(huì)帶來以下近似恒定幅度的誤差電壓：

　　其中，Verror為誤差電壓，tdead為死區(qū)時(shí)間，ton和toff為晶體管開啟和關(guān)閉延遲時(shí)間，TS為PWM開關(guān)周期，Vdc為直流總線電壓，Vsat為功率晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)壓降，Vd為二極管導(dǎo)通電壓。

　　當(dāng)一個(gè)相位段中的電流改變方向時(shí)，誤差電壓改變符號(hào)，因此，當(dāng)線路電流過零時(shí)，電機(jī)線間電壓發(fā)生階躍變化。這會(huì)引起正弦基波電壓的諧波，進(jìn)而在電機(jī)中產(chǎn)生諧波電流。對(duì)于開環(huán)驅(qū)動(dòng)采用的較大低阻抗電機(jī)，這是一個(gè)特別重要的問題，因?yàn)橹C波電流可能很大，導(dǎo)致低速振動(dòng)、扭矩紋波和諧波加熱。

　　在以下條件下，死區(qū)時(shí)間對(duì)電機(jī)輸出電壓失真的影響最嚴(yán)重：

　　● 高直流總線電壓 ;

　　● 長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間 ;

　　● 高開關(guān)頻率 ;

　　● 低速工作，特別是在控制算法未添加任何補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)驅(qū)動(dòng)中 。

　　低速工作很重要，因?yàn)檎窃谶@種模式下，施加的電機(jī)電壓在任何情況下都非常低，死區(qū)時(shí)間導(dǎo)致的誤差電壓可能是所施加電機(jī)電壓的很大一部分。此外，低速下感應(yīng)扭矩紋波的影響更有害，因?yàn)閷?duì)系統(tǒng)慣性的濾波在較高速度下是不可用。

　　在所有這些參數(shù)中，死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度是唯一受隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)影響的參數(shù)。死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度的一部分是由功率晶體管的開關(guān)延遲時(shí)間決定的，但其余部分與傳播延遲失配有關(guān)。 在這方面，光隔離器顯然不如磁隔離技術(shù)。

5 應(yīng)用示例

　　為了說明死區(qū)時(shí)間對(duì)電機(jī)電流失真的影響，下面給出了基于逆變器的三相開環(huán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)果。逆變器柵極驅(qū)動(dòng)器采用ADI公司的磁隔離器(ADuM4223)，直接驅(qū)動(dòng)IR的IRG7PH46UDPBF 1200V IGBT。直流母線電壓為700V。 逆變器驅(qū)動(dòng)開環(huán)V/f控制模式下的三相感應(yīng)電機(jī)。 利用阻性分壓器和分流電阻，并結(jié)合隔離式Σ-?調(diào)制器(同樣是來自ADI公司的AD7403)，分別測(cè)量線間電壓和相位電流。 各調(diào)制器輸出的單個(gè)位數(shù)據(jù)流被送至控制處理器(ADI公司的ADSP-CM408)的SINC濾波器，數(shù)據(jù)在其中進(jìn)行濾波和抽取后，產(chǎn)生電壓和電流信號(hào)的精確表示。

　　sinc數(shù)字濾波器輸出的線間電壓實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。 實(shí)際線間電壓為10kHz的高開關(guān)頻率波形，但它被數(shù)字濾波器濾除，以便顯示我們感興趣的低頻部分。

　　相應(yīng)的電機(jī)相位電流如圖6所示。 ADuM4223柵極驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲失配為12 ns，因此可以使用IGBT開關(guān)所需的絕對(duì)最短死區(qū)時(shí)間。對(duì)于IR IGBT，最短死區(qū)時(shí)間可設(shè)置為500 ns。從圖6左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。圖6右圖顯示死區(qū)時(shí)間提高到1 μs時(shí)的線間電壓和相位電流。此值更能代表光耦合柵極驅(qū)動(dòng)器的需求，因?yàn)槠鋫鞑パ舆t失配和漂移更大。

　　電壓和電流的失真均有明顯增加。 這種情況使用的感應(yīng)電機(jī)是相對(duì)較小的高阻抗電機(jī)。 在更高功率的終端應(yīng)用中，感應(yīng)電機(jī)阻抗通常要低得多，導(dǎo)致電機(jī)電流失真和扭矩紋波增加。 扭矩紋波在很多應(yīng)用中都會(huì)產(chǎn)生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機(jī)械系統(tǒng)中的軸承/聯(lián)軸器磨損。

　　現(xiàn)代柵極驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)重要問題是處理器發(fā)出的關(guān)斷命令能以多快的速度在IGBT上實(shí)現(xiàn)。 這對(duì)于以下情況中的過流關(guān)斷很重要：過流檢測(cè)不是柵極驅(qū)動(dòng)器本身的一部分，而是作為檢測(cè)與濾波電路的一部分加以實(shí)現(xiàn)。 這方面的另一個(gè)壓力是更高效率IGBT的短路耐受時(shí)間縮短。對(duì)此，IGBT技術(shù)的趨勢(shì)是從業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)10 μs縮短到5 μs甚至更短。 如圖7所示，過流檢測(cè)電路通常需要數(shù)微秒時(shí)間來鎖存故障;為了順應(yīng)總體發(fā)展趨勢(shì)，必須采取措施來縮短這一檢測(cè)時(shí)間。

　　該路徑中的另一主要因素是從處理器/FPGA輸出到IGBT柵極(比如柵極驅(qū)動(dòng)器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相對(duì)于光學(xué)器件有明顯優(yōu)勢(shì)，原因是前者的傳播延時(shí)值非常小，通常在50 ns左右，不再是影響因素。相比之下，光耦合器的傳播延遲在500 ns左右，占到總時(shí)序預(yù)算的很大一部分。

　　電機(jī)控制應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷時(shí)序如圖8所示，其中處理器的關(guān)斷命令跟在IGBT柵極發(fā)射極信號(hào)之后。 從關(guān)斷信號(hào)開始到IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)接近0的總延遲僅有72 ns。

6 總結(jié)

　　隨著人們更加關(guān)注系統(tǒng)性能、效率和安全，電機(jī)控制架構(gòu)師在設(shè)計(jì)穩(wěn)健系統(tǒng)時(shí)面臨著日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)。 基于光耦合器的柵極驅(qū)動(dòng)器是傳統(tǒng)選擇，但基于變壓器的解決方案不僅在功耗、速度、時(shí)間穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢(shì)，而且如本文所述，由于信號(hào)延遲縮短，其在系統(tǒng)性能和安全方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。 這使得設(shè)計(jì)人員可以在防止高端和低端開關(guān)同時(shí)接通的同時(shí)，有把握地縮短死區(qū)時(shí)間，改善系統(tǒng)性能。

　　此外，它還支持對(duì)系統(tǒng)命令和錯(cuò)誤作出更快速的響應(yīng)，這同樣能增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并提高安全性。 鑒于這些優(yōu)勢(shì)，基于變壓器的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器已成為電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要選擇;強(qiáng)烈建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)下一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，把器件延遲作為一項(xiàng)重要要求。