變速電機驅動(dòng)器在工業(yè)應用中的廣泛使用 要歸功于高效電源開(kāi)關(guān)和具有成本優(yōu)勢 的電子控制電路。設計上的困難則是用 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。

 

現代開(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繞組。 這一過(guò)程可以減少逆變器的損耗，因為功率晶體管工作 于完全飽和模式下，而該模式會(huì )降低傳導時(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 為在此期間，晶體管上有一較大的電壓，與此同時(shí)，負 載電流在高、低功率設備之間進(jìn)行切換。功率半導體公 司設計出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。

 

在驅動(dòng)器控制端，VLSI工藝的持續進(jìn)步改善了混合信號 控制電路的成本和性能，為高級數字控制算法的廣泛應 用以及交流電機效率的提高創(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降低至現在的3.3 V， 結果提高了對噪聲的靈敏度。這種傳統的噪聲過(guò)濾方法 通常不太適用，因為往往需要維持驅動(dòng)系統的帶寬，而 帶寬一般都是一個(gè)關(guān)鍵的性能參數。

 

電機驅動(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點(diǎn)。逆變器使電機繞組在 直流總線(xiàn)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，即使逆變器功率設備和直 流鏈路電容中存在斷續傳導，也會(huì )有電流連續流到電機 繞組中。電機繞組阻抗充當來(lái)自逆變器的高壓脈沖寬度 調制方波輸出電壓的低通濾波器。

 

圖1. 包括寄生元件的逆變器電路。

 

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)射器節點(diǎn)在高壓總線(xiàn)高供電 軌與低供電軌之間切換。首先，高端驅動(dòng)器必須能夠驅 動(dòng)相對于一個(gè)發(fā)射器(可能比共用輸入信號高300 V或以 上)的柵極信號。其次，通過(guò)分流器(vsh)的電機電流信 號必須從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致。當功率晶體管或二 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(xiàn) 電感也可能導致顯著(zhù)的電壓(>10 V)。寄生電感和部件電 感會(huì )導致振鈴，結果使設備開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的噪聲脈沖的持續 時(shí)間變長(cháng)。甚至電機電纜的高頻阻抗也可能帶來(lái)問(wèn)題， 因為出于安全考慮，配電板可能離電機很遠。其他效應 包括噪聲從電機耦合到反饋傳感器信號中，其原因是快 速切換的繞組電壓波形。問(wèn)題將變得更加嚴重，因為驅 動(dòng)電路的功率額定值將增加電路板的物理尺寸，結果將 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象，是應對這 一問(wèn)題的主要工具之一。隔離電路的性能是決定驅動(dòng)性 能的一個(gè)關(guān)鍵因素。在轉軸轉動(dòng)時(shí)，轉軸位置編碼器將 產(chǎn)生頻率為100 kHz或以上的數字脈沖流。然而，在許 多情況下，編碼器上安裝的電路會(huì )提高設備的精度，并 使數據速率增加到10 Mbps以上。另外，跨越分流器的 反饋信號也可以隔離，方法是先把數據轉換成數字位 流，然后把該位流與低功耗電路隔離開(kāi)來(lái)。這種情況 下，數據速率為10 Mbps至20 Mbps。

 

柵極驅動(dòng)電路所需要的開(kāi)關(guān)性能似乎并不高，因為電機 驅動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)速率很少超過(guò)20 kHz。然而，需要在 高端設備和低端設備的開(kāi)關(guān)信號之間插入一個(gè)死區，以 防止發(fā)生直通。死區為功率開(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。死區延長(cháng)會(huì )給逆 變器傳遞函數帶來(lái)更多非線(xiàn)性，結果將產(chǎn)生無(wú)用的電流 諧波，并可能降低驅動(dòng)效率。

 

因此，跨越電源電路和控制電路之間的隔離柵發(fā)送數據 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性能帶來(lái)任何顯著(zhù)的時(shí)序不確定性 或時(shí)序誤差。標準光耦合器的傳播延遲為微秒級，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，而現代數字隔離器采用 完全不同的運算原則，其速率也更高。

 

可以在有所折衷的情況下增加光耦合器的速率。光耦合 器的工作原理是，將來(lái)自L(fǎng)ED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)是設備功耗會(huì )增加，每個(gè)數據通道最 高將達50 mW。

 

圖2. 光耦合器內部結構。

 

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準 的低成本光耦合器要貴許多倍。

 

相反，數字隔離器則是采用標準的高速CMOS工藝，并 搭載隔離式片內微變壓器。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計與生俱來(lái)的特點(diǎn)，不 需要更復雜、成本更高的隔離材料也可實(shí)現更高的速 度。變壓器可以以最高150 Mbps的傳輸速率傳遞數據， 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，比標準光耦合器高出了一個(gè)數量級，僅以大約一 半的單位通道成本即可實(shí)現比光耦合器快3至4倍的卓越 性能。

 

圖3. 基于變壓器的數字隔離器的結構。

 

隔離的抗噪性

 

在電機驅動(dòng)系統中，隔離還提供了一個(gè)分離噪聲源的機 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)。以下各項之間有安全隔離需求：高壓 總線(xiàn)、線(xiàn)路電壓和用戶(hù)界面，以同時(shí)保護人、保護其他 設備。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一般稱(chēng) 為共模瞬變抗擾度(CMTI)。CMTI旨在衡量一個(gè)隔離器 在隔離器數據通信不被噪聲打斷的情況下，對隔離柵中 的電壓噪聲的抑制能力。其單位是kV/s瞬變。

 

電壓瞬變噪聲跨越隔離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/s。一些現代數字隔離器采用電容耦合數據隔離 技術(shù)，其信號和共模噪聲使用同一路徑?；谧儔浩鞯?隔離器(如ADI的iCoupler數字隔離器)的信號路徑不同于 噪聲路徑，其CMTI的值一般為50 kV/s或以上。 隔

 

隔離材料和可靠性

 

數字隔離器采用晶圓CMOS工藝制造，僅限于常用的晶 圓材料。非標準材料會(huì )使生產(chǎn)復雜化，導致可制造性變 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)在標準半導體工藝中 使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為高壓絕 緣體具有悠久的歷史。

 

安全標準通常規定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)。 某些標準也會(huì )規定更短的持續時(shí)間、電壓浪涌(如10 kV 峰值并持續50 μs)作為增強絕緣認證的一部分要求。

 

表1. 隔離材料性能比較

 

聚 合物/聚酰亞胺隔離器可提供最好的隔離特性(見(jiàn)表1)。 聚酰亞胺數字隔離器與光耦合器類(lèi)似，在典型工作電壓 下，工作壽命超過(guò)電機，額定使用壽命為50年。SiO2隔 離器的工作壽命與之接近，但是，對高能浪涌的保護能 力卻較弱。

 

在高溫連續使用的情況下，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。

 

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功能的柵極驅動(dòng)、用- ADC 實(shí)現隔離電流檢測以及多向數據流等其他功能，就必須 采用多芯片解決方案，結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字 隔離器可以隨著(zhù)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 )給某些應用帶來(lái)問(wèn)題 的自舉。目前，市場(chǎng)上有基于變壓器的數字隔離器，在 單個(gè)封裝中集成了dc/dc轉換器、- ADC、柵極驅動(dòng) 器、I2C、RS-485收發(fā)器、RS-232收發(fā)器和CAN收發(fā) 器，使電機控制系統同時(shí)實(shí)現了尺寸和成本的優(yōu)化。

 

實(shí)用的應用電路

 

展示了柵極驅動(dòng)、通信和反饋信號隔離的典型驅動(dòng)電路 如圖4所示。在該系統中，隔離的- ADC用來(lái)測量電 機繞組電流，數字位流則由電機控制IC上的數字過(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據發(fā)送給電機控制 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 與逆變器模塊隔離，IGBT由一個(gè)嵌入該模塊中的電平 轉換柵極驅動(dòng)器驅動(dòng)。

 

圖4. 典型的中型工業(yè)電機驅動(dòng)系統。

 

 

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