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摘要：本文介紹了數字隔離器技術(shù)，來(lái)增強工業(yè)電機控制性能并對其進(jìn)行分類(lèi)，介紹了隔離方法、進(jìn)行了延遲特性比較，縫隙數字隔離器技術(shù)對電子控制系統的系統影響，給出應用實(shí)例，予以工程師參考。 1 隔離類(lèi)型簡(jiǎn)介 隔離用戶(hù)和敏感的電子部件是電機控制系統的重要考慮事項。安全隔離用于保護用戶(hù)免受有害電壓影響，功能隔離則專(zhuān)門(mén)用來(lái)保護設備和器件。電機控制系統可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅動(dòng)電路中的隔離式柵極驅動(dòng)器;檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器;以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標準數字隔離器。無(wú)論是出于安全原因，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。 雖然隔離是很重要的系統考慮，但它也存在缺點(diǎn)：會(huì )提高功耗，跨過(guò)隔離柵傳輸數據會(huì )產(chǎn)生延遲，而且會(huì )增加系統成本。傳統上系統設計師求助于光耦合器解決方案，多年來(lái)，它是系統隔離的當然選擇。最近十年來(lái)，基于磁耦合(變壓器傳輸)方法的數字隔離器提供了一種可行且在很多時(shí)候更優(yōu)越的替代方案;從系統角度考慮，它還具備系統設計師可能尚未認識到的優(yōu)點(diǎn)。 本文將討論這兩種隔離解決方案，重點(diǎn)論述磁隔離對延遲時(shí)序性能的改善，以及由此給電機控制應用在系統層面帶來(lái)的好處。 2 隔離方法 光耦合器利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。 發(fā)送側包括一個(gè)LED，高電平信號開(kāi)啟LED，低電平信號關(guān)閉LED。 接收側利用光電檢測器將接收到的光信號轉換回電信號。 隔離由LED與光電檢測器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通�；诰酆衔�)予以增強。 光耦合器的最大缺點(diǎn)之一是：隨著(zhù)LED老化，其輻射特性會(huì )漂移，設計人員必須考慮這一額外問(wèn)題。 LED退化導致時(shí)序性能隨著(zhù)時(shí)間和溫度而漂移。因此，傳播和上升/下降時(shí)間會(huì )受影響，使設計復雜化，尤其是考慮到本文后面要處理的問(wèn)題。 光耦合器的性能擴展性也會(huì )受到影響。為了提高數據速率，必須克服光耦合器固有的寄生電容問(wèn)題，該問(wèn)題會(huì )導致功耗升高。寄生電容還會(huì )提供耦合機制，導致基于光耦合的隔離器的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競爭對手。 磁隔離器(基于變壓器)已大規模應用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類(lèi)隔離器基于標準CMOS技術(shù)，采用磁耦合傳輸方案，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構成，如圖2所示。以低電流脈沖方式通過(guò)線(xiàn)圈傳輸，產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)隔離柵，在隔離柵另一側的第二線(xiàn)圈中感生一個(gè)電流。 由于采用標準CMOS結構，其在功耗和速度方面具有明顯優(yōu)勢，而且不存在光耦合器相關(guān)的壽命偏差問(wèn)題。 此外，由于基于變壓器的隔離器中存在較低的寄生電容，它們的CMTI性能優(yōu)于基于光耦合器的隔離器。 基于變壓器的隔離器還允許使用常見(jiàn)處理模塊(防止雜散輸入信號)和高級傳輸編解碼機制。 這樣就可以實(shí)現雙向數據傳輸，使用不同編碼方案來(lái)優(yōu)化功耗與傳輸速率的關(guān)系，以及后文提到的將重要信號更快速、更一致地傳輸到隔離柵另一端。 3 延遲特性比較 所有隔離器都有一個(gè)非常重要但常常被輕視的特性是其傳播延遲。此特性衡量信號(可以是驅動(dòng)信號或故障檢測信號)沿任一方向跨過(guò)隔離柵所需的時(shí)間。 技術(shù)不同，傳播延遲差別很大。 通常提供的是典型延遲值，但系統設計師特別關(guān)注最大延遲，它是設計電機控制系統需要考慮的重要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅動(dòng)器的傳播延遲和延遲偏斜值示例。 如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重復性(偏斜)方面優(yōu)勢明顯。這樣，電機控制設計人員對設計將更有信心，無(wú)需增加時(shí)序裕量以滿(mǎn)足柵極驅動(dòng)器特性。對于電機控制系統的性能和安全，這都有著(zhù)非常重要的意義。 4 對電機控制系統的系統影響 圖3顯示了交流電機控制應用中采用的典型三相逆變器。 該逆變器由直流總線(xiàn)供電，直流電源通常是通過(guò)二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產(chǎn)生。在大部分工業(yè)應用中，直流總線(xiàn)電壓在300V至1,000V范圍內。采用脈寬調制(PWM)方案，以5kHz至10 kHz的頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機端子上產(chǎn)生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。 PWM信號(如PWMaH和PWMaL)在電機控制器(一般用處理器和/或FPGA實(shí)現)中產(chǎn)生。 這些信號一般是低壓信號，參考處理器接地軌。為了正確開(kāi)啟和關(guān)閉功率晶體管，邏輯電平信號的電壓電平和電流源能力必須放大，另外還必須進(jìn)行電平轉換，從而以相關(guān)功率晶體管發(fā)射極為接地基準。 根據處理器在系統中的位置，這些信號可能還需要安全絕緣。 這些功能由柵極驅動(dòng)器執行(比如GDRVaL/GDRVaH等，如圖3所示)。每個(gè)柵極驅動(dòng)器IC都需要一個(gè)以處理器地為基準的原邊電源電壓和一個(gè)以晶體管發(fā)射極為基準的副邊電源。副邊電源的電壓電平必須能夠開(kāi)啟功率晶體管(通常為15V)，并有足夠的電流驅動(dòng)能力來(lái)給晶體管柵極充電和放電。 功率晶體管有一個(gè)有限的開(kāi)關(guān)時(shí)間，因此，高端和低端晶體管之間的脈寬調制波形中必須插入一個(gè)消隱或死區時(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(kāi)，引起高壓直流總線(xiàn)短路，進(jìn)而造成系統故障和/或損壞風(fēng)險。 死區時(shí)間的長(cháng)度由兩個(gè)因素決定：晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間和柵極驅動(dòng)器傳播延遲失配(包括失配的任何漂移)。換言之，死區時(shí)間必須考慮PWM信號從處理器到高端和低端柵極驅動(dòng)器之間的晶體管柵極的任何傳播時(shí)間差異。 死區時(shí)間的作用是扭曲施加于電機的平均電壓，尤其是在低速運轉時(shí)。實(shí)際上，死區時(shí)間會(huì )帶來(lái)以下近似恒定幅度的誤差電壓： 其中，Verror為誤差電壓，tdead為死區時(shí)間，ton和toff為晶體管開(kāi)啟和關(guān)閉延遲時(shí)間，TS為PWM開(kāi)關(guān)周期，Vdc為直流總線(xiàn)電壓，Vsat為功率晶體管的導通狀態(tài)壓降，Vd為二極管導通電壓。 當一個(gè)相位段中的電流改變方向時(shí)，誤差電壓改變符號，因此，當線(xiàn)路電流過(guò)零時(shí)，電機線(xiàn)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)而在電機中產(chǎn)生諧波電流。對于開(kāi)環(huán)驅動(dòng)采用的較大低阻抗電機，這是一個(gè)特別重要的問(wèn)題，因為諧波電流可能很大，導致低速振動(dòng)、扭矩紋波和諧波加熱。 在以下條件下，死區時(shí)間對電機輸出電壓失真的影響最嚴重： ● 高直流總線(xiàn)電壓 ; ● 長(cháng)死區時(shí)間 ; ● 高開(kāi)關(guān)頻率 ; ● 低速工作，特別是在控制算法未添加任何補償的開(kāi)環(huán)驅動(dòng)中 。 低速工作很重要，因為正是在這種模式下，施加的電機電壓在任何情況下都非常低，死區時(shí)間導致的誤差電壓可能是所施加電機電壓的很大一部分。此外，低速下感應扭矩紋波的影響更有害，因為對系統慣性的濾波在較高速度下是不可用。 在所有這些參數中，死區時(shí)間長(cháng)度是唯一受隔離式柵極驅動(dòng)器技術(shù)影響的參數。死區時(shí)間長(cháng)度的一部分是由功率晶體管的開(kāi)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 應用示例 為了說(shuō)明死區時(shí)間對電機電流失真的影響，下面給出了基于逆變器的三相開(kāi)環(huán)電機驅動(dòng)的結果。逆變器柵極驅動(dòng)器采用ADI公司的磁隔離器(ADuM4223)，直接驅動(dòng)IR的IRG7PH46UDPBF 1200V IGBT。直流母線(xiàn)電壓為700V。 逆變器驅動(dòng)開(kāi)環(huán)V/f控制模式下的三相感應電機。 利用阻性分壓器和分流電阻，并結合隔離式Σ-?調制器(同樣是來(lái)自ADI公司的AD7403)，分別測量線(xiàn)間電壓和相位電流。 各調制器輸出的單個(gè)位數據流被送至控制處理器(ADI公司的ADSP-CM408)的SINC濾波器，數據在其中進(jìn)行濾波和抽取后，產(chǎn)生電壓和電流信號的精確表示。 sinc數字濾波器輸出的線(xiàn)間電壓實(shí)測結果如圖5所示。 實(shí)際線(xiàn)間電壓為10kHz的高開(kāi)關(guān)頻率波形，但它被數字濾波器濾除，以便顯示我們感興趣的低頻部分。 相應的電機相位電流如圖6所示。 ADuM4223柵極驅動(dòng)器的傳播延遲失配為12 ns，因此可以使用IGBT開(kāi)關(guān)所需的絕對最短死區時(shí)間。對于IR IGBT，最短死區時(shí)間可設置為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右圖顯示死區時(shí)間提高到1 μs時(shí)的線(xiàn)間電壓和相位電流。此值更能代表光耦合柵極驅動(dòng)器的需求，因為其傳播延遲失配和漂移更大。 電壓和電流的失真均有明顯增加。 這種情況使用的感應電機是相對較小的高阻抗電機。 在更高功率的終端應用中，感應電機阻抗通常要低得多，導致電機電流失真和扭矩紋波增加。 扭矩紋波在很多應用中都會(huì )產(chǎn)生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機械系統中的軸承/聯(lián)軸器磨損。 現代柵極驅動(dòng)器的另一個(gè)重要問(wèn)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。 這對于以下情況中的過(guò)流關(guān)斷很重要：過(guò)流檢測不是柵極驅動(dòng)器本身的一部分，而是作為檢測與濾波電路的一部分加以實(shí)現。 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。對此，IGBT技術(shù)的趨勢是從業(yè)界標準10 μs縮短到5 μs甚至更短。 如圖7所示，過(guò)流檢測電路通常需要數微秒時(shí)間來(lái)鎖存故障;為了順應總體發(fā)展趨勢，必須采取措施來(lái)縮短這一檢測時(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(比如柵極驅動(dòng)器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相對于光學(xué)器件有明顯優(yōu)勢，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)序預算的很大一部分。 電機控制應用的柵極驅動(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)射極信號之后。 從關(guān)斷信號開(kāi)始到IGBT柵極驅動(dòng)信號接近0的總延遲僅有72 ns。 6 總結 隨著(zhù)人們更加關(guān)注系統性能、效率和安全，電機控制架構師在設計穩健系統時(shí)面臨著(zhù)日益復雜的挑戰。 基于光耦合器的柵極驅動(dòng)器是傳統選擇，但基于變壓器的解決方案不僅在功耗、速度、時(shí)間穩定性上更具優(yōu)勢，而且如本文所述，由于信號延遲縮短，其在系統性能和安全方面也有明顯優(yōu)勢。 這使得設計人員可以在防止高端和低端開(kāi)關(guān)同時(shí)接通的同時(shí)，有把握地縮短死區時(shí)間，改善系統性能。 此外，它還支持對系統命令和錯誤作出更快速的響應，這同樣能增強系統可靠性并提高安全性。 鑒于這些優(yōu)勢，基于變壓器的隔離式柵極驅動(dòng)器已成為電機控制系統設計的一個(gè)主要選擇;強烈建議系統設計人員在設計下一個(gè)項目時(shí)，把器件延遲作為一項重要要求。 |
