工業電機驅動中的柵極驅動和電流反饋信號隔離

二十多年來，電動機能效一直是全球能源監管機構關注的焦點。這是通過提高電力使用效率和使用可再生能源轉換一些能源來實現最大限度減少碳排放的全球努力的一部分。早期的運動效率法規是自愿的，但很快，這些法規成為強制性要求，最低效率水平每五到十年增加一次。鼠籠式感應電動機（SQIM）自電力普及以來一直是業界的主力，因為它可以在直接連接到三相交流電源時啟動和運行。當前的IEC標準根據額定功率對這些電機的效率進行了分類，其范圍從標準效率（IE1）到超高效率（IE4）。今天，IE3的高效率水平在世界上最大的工業區域（包括歐盟，美國，中國和日本）是強制性的。工廠運營商并沒有抵制這種變化，因為電機的資本成本只是電機壽命期間電力成本的一小部分。即使在更換具有15kW超高效率IE4電機的高效電機的情況下，也可以在兩年內節省額外成本。電機效率要求的這種趨勢已經使許多設備制造商從直接離線電機轉向基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種體系結構，以及它們的驅動和信號隔離要求是本文討論的主題。

到目前為止，SQIM制造商已將更嚴格的效率法規視為市場機遇。與標準效率電機相比，高級和超高效電機在材料，設計和制造方面的成本更高，但它們的市場價格更高。然而，新的IEC效率分級IE5和IE6的開發將給電機制造商帶來問題。電機專家認為，設計線路連接SQIM以達到高于IE4的效率水平將是非常困難和昂貴的，特別是在較低功率范圍內（de Almeida）。最有可能的是，只有逆變器連接的電機才能滿足IE5和更高的效率水平。永磁同步電機（PMSM）傳統上被選用于超高效應用，但是稀土轉子磁鐵的成本和可用性是一個問題。使用鐵氧體磁鐵或為支持不斷增長的電動車市場而開發的新磁性材料的新型軸向電機設計可以緩解這些問題。IE5效率等級驅動器（ABB）也正在認真考慮同步磁阻電動機（SRM）。SRM既沒有轉子繞組也沒有磁鐵，與同等額定功率的等效SQIM相比，它以更低的成本和框架尺寸支持高效率。

逆變器和隔離

這種更高效電機的趨勢正在增加對基于IGBT的變頻器的需求，該變頻器將整流的電源輸入轉換為驅動電機的可變頻率電壓。變頻器控制的電機具有與軸負載最佳匹配的輸出扭矩或速度，以最小化能量消耗，降低電機運行溫度并提高電機可靠性。增加的價值控制功能，如狀態監測，電能計量和工廠網絡連接，可提高過程效率和可靠性。隔離技術是驅動系統中的關鍵元件，因為它可以安全地將控制器用戶界面與連接到逆變器的危險高壓隔離開來。

幾個高級別因素會影響給定驅動器中的隔離要求和架構; 這些包括電機驅動器性能水平，通信接口的復雜性，控制器架構以及系統中遇到的電壓水平，如圖1所示。

 
 
 

在許多情況下，關鍵隔離節點是柵極驅動器和電機相電流感測電路。兩個位置都涉及以切換的高電壓電平為參考的受控或測量信號，并且必須至少包括某種形式的電平移位，并且在許多情況下包括隔離（功能或安全）以便應用或提取接地參考信號。

這在圖2的概念示意圖中示出，其描繪了單個逆變器相臂，其中指示了高側柵極驅動器信號和相電流分流測量信號的電平移位和電位信號隔離要求。

 
 
 

隔離門驅動器

從圖2中還可以看出隔離柵極驅動器的基本要求。這些要求包括邏輯電平開關信號的功能或安全隔離，以及能夠驅動IGBT柵極電壓超過導通和關閉閾值的輸出驅動器。在所需的時刻切換IGBT，最大限度地減少器件導通損耗，開關損耗和EMI產生。在三相逆變器中，IGBT被反相控制，使得高側和低側IGBT永遠不會在一起，即使在短時間內也是如此。這需要在高側和低側開關信號之間插入一個小的死區時間。在系統性能和IGBT保護（O'Sullivan）的背景下，最小化這個死區時間至關重要。

IGBT導通需要將IGBT驅動到飽和區域，在此處導通損耗將最小化。這通常意味著導通電壓> 12 V. IGBT關斷需要將IGBT驅動到工作的截止區域，這樣一旦高端IGBT導通，它就能成功阻斷其上的反向高壓。原則上，這可以通過將IGBT柵極發射極電壓降低到0V來實現。但是，當高側晶體管導通時必須考慮次要影響。開關節點電壓的快速轉換導致瞬態感應電流流入低側IGBT寄生米勒電容（圖3中的C _GD）。該電流流過低側柵極驅動器（Z _DRIVER）的關斷阻抗如圖3所示，在低端IGBT柵極發射極端子處產生瞬態電壓反彈，如圖所示。如果此電壓超過IGBT閾值電壓V _TH，則可能導致低側IGBT短暫導通，導致逆變器支路瞬間射穿，增加功耗并降低可靠性。

 
 
 

通常有兩種方法來解決逆變器IGBT的感應導通 - 使用雙極電源和/或增加米勒鉗位。在柵極驅動器的隔離側接受雙極電源的能力為感應電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，-7.5 V的負電源軌意味著通常需要> 8.5 V的感應電壓瞬變來引起虛假導通。這通常足以防止虛假開啟。一種互補的方法是在完成關斷轉換之后的一段時間內減小柵極驅動器電路的關斷阻抗。這被稱為米勒鉗位電路。電容電流現在流入較低阻抗電路，從而降低了電壓瞬變的幅度。通過利用非對稱柵極電阻器來導通和關斷，可以提供控制開關速率的額外靈活性。所有這些柵極驅動器功能都對整個系統的可靠性和效率產生積極影響。

電動機驅動器中的過電流保護通常在幾個級別上實現。持續過電流和瞬態過電流之間的區別可以包括在驅動保護方案中，并且這些過電流事件具有不同的跳閘水平和時間常數。這種過流保護通常基于電流測量來實現。對于非常快速且可能發生災難性的過流事件，例如逆變器輸出上的短路，在柵極驅動器內集成快速動作保護機制可能是有利的。通過在IGBT導通時監控IGBT集電極發射極電壓來實現去飽和保護。當IGBT飽和時，導通狀態電壓是IGBT內電流水平的函數，并且該保護功能可以設計為觸發故障并且一旦導通狀態電壓增加超過可接受的水平就快速關斷IGBT。存在短消隱時間，在此期間保護電路不監視IGBT的導通狀態電壓。這包括在開啟事件期間由于集電極發射極電壓轉換和/或瞬態過電流而在開啟時防止誤觸發。

該ADUM4135ADI公司的隔離柵極驅動器具有雙極性電源，米勒鉗位和非對稱導通和關斷輸出。此外，傳播延遲以及更重要的傳播延遲偏差分別是業界領先的50 ns和15 ns的典型值。減少死區時間的系統影響如圖4所示，其中描述了兩個不同死區時間的逆變器輸出線到低電機速度的線電壓。與光耦合器技術相關的死區時間要求增加導致電機電壓和電流失真增加。這降低了轉矩脈動和振動增加的性能，以及由于增加的諧波損耗而降低的效率。這些失真效應在逆變器應用中尤為明顯，

 
 
 

隔離電流感

電機相電流檢測節點連接到與柵極驅動器輸出相同的電路節點，如圖2所示，用于基于分流的測量。因此，它們經歷相同的隔離電壓和開關瞬變。相電流檢測對于高性能閉環電機控制至關重要，在這種惡劣的電噪聲環境中實現高保真測量并非易事。在高功率系統中，使用隔離電流傳感器，如電流互感器或霍爾效應傳感器，其中隔離是固有的，而在低功率系統中，趨勢是使用具有隔離Σ-Δ調制器的分流電阻，如AD7403來自ADI公司。前面的系統通常使用去飽和柵極驅動器功能來實現所概述的短路過電流保護，而后一種基于調制器的隔離電流感測方案可以通過快速粗略的數字濾波器（O'Byrne）直接實現這一點。w w w . d z i u u . c o m