電容隔離如何解決交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

信號(hào)和電源隔離有助于確保交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并保護(hù)操作人員免受高壓危險(xiǎn)。

但并非所有隔離技術(shù)都能滿足所有需求，尤其是在器件壽命和溫度性能方面。

為解決交流(AC)電機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，本白皮書(shū)對(duì)比了德州儀器(TI)的基于電容的隔離技術(shù)和傳統(tǒng)的隔離技術(shù)，包括隔離柵極驅(qū)動(dòng)器在功率級(jí)、隔離電壓、電流反饋或控制模塊中隔離式數(shù)字輸入。

什么是交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一種使用交流電輸入的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，它可以驅(qū)動(dòng)大型工業(yè)負(fù)載，例如加熱、通風(fēng)、商業(yè)樓宇的空調(diào)、泵和壓縮機(jī)的運(yùn)行。交流電機(jī)也能驅(qū)動(dòng)需要調(diào)節(jié)速度的工廠自動(dòng)化和工業(yè)器件負(fù)載，例如傳送帶或隧道掘進(jìn)、采礦和造紙?jiān)O(shè)備。

圖1.工廠中帶有交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)電機(jī)

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用交流能量，將其整流為直流母線電壓，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，然后基于負(fù)載需求通過(guò)復(fù)雜的控制算法將直流電轉(zhuǎn)換回交流電。圖2所示為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖，其中功率級(jí)和電源供給標(biāo)記為綠色。

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的隔離

諸如交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)之類的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含高電壓和高功率等級(jí);因此，必須采取措施保護(hù)操作人員和整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。

此外，也需要保護(hù)關(guān)鍵系統(tǒng)組件(例如控制器和通信外圍器件)免受電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的大功率和高壓電路的影響。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)61800-5-1安全標(biāo)準(zhǔn)的定義，可通過(guò)半導(dǎo)體集成電路(IC)在組件級(jí)進(jìn)行隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)電路之間的絕緣。

隔離ICs可在高壓和低壓?jiǎn)卧g傳輸數(shù)據(jù)和功率，同時(shí)可防止任何危險(xiǎn)的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流。通常來(lái)講，隔離器通過(guò)隔離柵在電路內(nèi)提供所需的絕緣等級(jí)。隔離柵將高壓與人可接觸的零件分開(kāi)。有關(guān)IEC 61800-5-1安全標(biāo)準(zhǔn)的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)白皮書(shū)“交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的隔離：了解IEC 61800-5-1安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖2.交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)框圖

在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)隔離

設(shè)計(jì)人員在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)隔離隔柵時(shí)有多種選擇，但過(guò)去40年來(lái)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電流隔離的最常用器件一直是光耦合器，也稱為光隔離器或光電耦合器。盡管光耦合器具有成本效益且普遍存在，但其無(wú)法提供與最新隔離方法同等水平的溫度性能或器件壽命。TI的電容隔離技術(shù)在將二氧化硅(基礎(chǔ)片上絕緣)用作電介質(zhì)的電容電路中集成了增強(qiáng)的信號(hào)隔離功能。與光耦合器不同，其可將隔離電路與其他電路集成在同一芯片上。通過(guò)此工藝制造的隔離器具有可靠性、防震性和增強(qiáng)的隔離性，相當(dāng)于單個(gè)封裝中的兩個(gè)基本隔離等級(jí)。

有關(guān)TI創(chuàng)新的基于電容的增強(qiáng)型隔離的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)白皮書(shū)“實(shí)現(xiàn)高壓信號(hào)隔離質(zhì)量和可靠性?！?/span>

以下各部分探討了交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中與隔離相關(guān)的三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，同時(shí)還重點(diǎn)介紹了電容隔離相較于光耦合器的優(yōu)勢(shì)。

隔離功率級(jí)中的柵極驅(qū)動(dòng)器

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率級(jí)中使用的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫怯糜趥鬏斍咧琳淄叻秶鷥?nèi)功率的三相逆變器拓?fù)洹＿@些逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。典型的直流總線電壓為600 V-1,200V。該三相逆變器使用六個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)(通常是一組絕緣柵門(mén)極晶體管[IGBTs]或IGBT模塊)。由于其卓越的性能，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始使用寬帶隙器件，例如碳化硅(SiC)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)或模塊。

每個(gè)相都使用通常處在20kHz至30kHz范圍內(nèi)工作的高側(cè)和低側(cè)IGBT開(kāi)關(guān)，以交替模式向電機(jī)繞組施加正負(fù)高壓直流脈沖。每個(gè)IGBT或SiC模塊均由單個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。柵極驅(qū)動(dòng)器的高壓輸出與來(lái)自控制器的低壓控制輸入之間的隔離是產(chǎn)生電流的。柵極驅(qū)動(dòng)器將來(lái)自控制器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)或IGBTs的柵極脈沖。此外，這些柵極驅(qū)動(dòng)器需要具有集成的保護(hù)功能，例如去飽和作用、有源米勒鉗位和軟關(guān)斷。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器具有兩側(cè)：初級(jí)側(cè)(即輸入級(jí))和次級(jí)側(cè)(與FET連接)。初級(jí)側(cè)有兩種類型的輸入級(jí)：基于電壓和基于電流的輸入級(jí)。通過(guò)輸入級(jí)，柵極驅(qū)動(dòng)器可以連接到能夠告知柵極驅(qū)動(dòng)器在指定時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉的控制器。使用基于電流的輸入級(jí)的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器通常在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)IGBTs。基于電流的輸入級(jí)往往具有較好的抗噪能力，因此需要在控制器和光耦合器之間設(shè)置一個(gè)緩沖級(jí)。使用緩沖級(jí)的基于電流的輸入級(jí)驅(qū)動(dòng)器的功耗通常也會(huì)更高。

傳統(tǒng)光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器確實(shí)存在著一些挑戰(zhàn)：

·輸入級(jí)中的LED的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，這會(huì)影響器件壽命，并可能導(dǎo)致傳播延遲時(shí)間增長(zhǎng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。

·它們較低的共模瞬變抗擾度(CMTI)限制了功率FETs的切換速度。

·它們通常僅支持較低的工作溫度范圍，因此很難創(chuàng)造出更緊湊的設(shè)計(jì)。

TI提供了使用電容隔離技術(shù)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，以幫助克服光耦合器中一些常見(jiàn)的設(shè)計(jì)難題。

圖3對(duì)比了傳統(tǒng)的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器與TI使用電容隔離的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。TI的電容隔離柵極驅(qū)動(dòng)器具有更高的CMTI額定值、更寬的工作溫度范圍以及改進(jìn)的計(jì)時(shí)規(guī)范，例如，部件到部件的偏斜和傳播延遲。要了解有關(guān)TI柵極驅(qū)動(dòng)器CMTI性能的更多信息，請(qǐng)閱讀應(yīng)用指南“隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的共模瞬態(tài)抗擾性?！?/span>

圖3.光耦隔離柵極驅(qū)動(dòng)器(a)和電容隔離柵極驅(qū)動(dòng)器(b)的對(duì)比

隔離電流和電壓反饋

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用由電壓和電流反饋測(cè)量值組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制交流電機(jī)的速度和扭矩。由于電壓和電流反饋需在高壓側(cè)測(cè)量，因此信號(hào)必須與低壓控制器側(cè)隔離。

在電機(jī)的三相中的每相上測(cè)得的同軸相電流用于導(dǎo)出控制IGBTs的最佳PWM模式。這些同軸相電流測(cè)量的準(zhǔn)確性、噪聲、帶寬、延遲和CMTI直接影響電機(jī)的扭矩和速度輸出曲線。如圖4所示，電容耦合隔離式放大器和調(diào)制器和光耦合同類產(chǎn)品相比，具有更少的信號(hào)傳播延遲、更佳的CMTI以及更長(zhǎng)的壽命和可靠性。

應(yīng)用指南“在HEV/EV中比較基于分流和霍爾的隔離電流感應(yīng)解決方案”詳細(xì)比較了基于分流和基于霍爾的電流感應(yīng)方法之間的隔離等級(jí)、精度、溫度范圍、帶寬和噪聲等方面。

圖5所示為使用隔離式放大器進(jìn)行基于分流的電流感應(yīng)和基于電阻分壓器的電壓感應(yīng)的反饋感應(yīng)環(huán)路的典型框圖。通過(guò)分流電阻器RSHUNT來(lái)完成對(duì)相電流的測(cè)量。

圖4.隔離式放大器的示例(a);和隔離式調(diào)制器(b)

圖5.實(shí)現(xiàn)典型的電流和電壓反饋

與光耦合器相比，TI的隔離式放大器支持極小的雙向輸入電壓范圍，具有很高的CMTI和整體精度。這些功能可在高噪聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的電流感應(yīng)。這些器件的高阻抗輸入和寬輸入電壓范圍使其極其適用于直流母線總線電壓感應(yīng)。

在控制模塊中隔離數(shù)字輸入

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的控制模塊基于位置反饋模塊的輸入、模擬輸入和數(shù)字輸入，負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)處理和總體控制算法。這些數(shù)字輸入通常是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器和開(kāi)關(guān)的24V信號(hào)，可傳達(dá)緊急停止信號(hào)(例如安全扭矩關(guān)閉(STO))或有關(guān)電機(jī)運(yùn)行的信息(例如速度和位置)。

與控制算法一同使用時(shí)，這些數(shù)字信號(hào)輸入將對(duì)功率級(jí)進(jìn)行任何必要調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出。將控制模塊與數(shù)字輸入隔離可防止接地電位差引起通信錯(cuò)誤。

盡管光耦合器已用于隔離數(shù)字輸入，但是數(shù)字隔離器技術(shù)的最新發(fā)展徹底革新了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)數(shù)字輸入的方式。

圖6所示為用于隔離數(shù)字輸入的光耦合器常見(jiàn)解決方案。該解決方案使用數(shù)個(gè)分立元件(9至15個(gè))來(lái)實(shí)現(xiàn)電流限值和受控電壓閾值。

使用這種復(fù)雜的解決方案，電流限值可以遠(yuǎn)高于2mA的目標(biāo)電流限值，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可能高達(dá)6mA(具體取決于設(shè)計(jì))。此外，光耦合器之后的施密特觸發(fā)器緩沖器還為抗噪提供了滯后功能。圖7所示為一種簡(jiǎn)化的解決方案，一種專用于數(shù)字輸入應(yīng)用的專用數(shù)字隔離器。采用TI電容性隔離技術(shù)的器件可實(shí)現(xiàn)<2.5mA的電流限值。該解決方案無(wú)需施密特觸發(fā)器來(lái)抗噪，僅需兩個(gè)電阻(RSENSE和RTHR)來(lái)設(shè)置所選的電流限值和電壓閾值。

圖7.使用TI數(shù)字隔離器的隔離數(shù)字輸入解決方案

與光耦合器相比，基于電容的數(shù)字隔離方法的優(yōu)勢(shì)在于其具有更低的功耗。TI的數(shù)字隔離器的精確電流限值可將數(shù)字輸入所引電流減少五分之一，從而大大降低了功耗和電路板溫度。其他功能包括具有通道間隔離功能的雙通道選件，可幫助減少電路板空間，同時(shí)還提供低傳播延遲和4Mbps數(shù)據(jù)速率，以支持STO輸入。用光耦合器支持STO輸入需要高速光耦合器。與基于電容的數(shù)字隔離技術(shù)相比，這種光耦合器價(jià)格昂貴且使用壽命較短。應(yīng)用指南“如何提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離輸入的速度和可靠性中提供了更多有關(guān)TI隔離數(shù)字輸入在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)的詳細(xì)信息。 ”

總結(jié)

無(wú)論您正在隔離功率級(jí)中的柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離電壓或電流反饋，還是隔離控制模塊中的數(shù)字輸入，TI的基于電容的隔離技術(shù)都徹底革新了交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命和溫度要求，且在許多情況下，此種技術(shù)提供了比光耦合器更緊湊的解決方案。