工業(yè)電機驅動(dòng)中的柵極驅動(dòng)和電流反饋信號隔離
二十多年來(lái)，電動(dòng)機能效一直是全球能源監管機構關(guān)注的焦點(diǎn)。這是通過(guò)提高電力使用效率和使用可再生能源轉換一些能源來(lái)實(shí)現最大限度減少碳排放的全球努力的一部分。早期的運動(dòng)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(dòng)機（SQIM）自電力普及以來(lái)一直是業(yè)界的主力，因為它可以在直接連接到三相交流電源時(shí)啟動(dòng)和運行。當前的IEC標準根據額定功率對這些電機的效率進(jìn)行了分類(lèi)，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(yè)區域（包括歐盟，美國，中國和日本）是強制性的。工廠(chǎng)運營(yíng)商并沒(méi)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(jīng)使許多設備制造商從直接離線(xiàn)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(dòng)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(chǎng)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(chǎng)價(jià)格更高。然而，新的IEC效率分級IE5和IE6的開(kāi)發(fā)將給電機制造商帶來(lái)問(wèn)題。電機專(zhuān)家認為，設計線(xiàn)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(mǎn)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(gè)問(wèn)題。使用鐵氧體磁鐵或為支持不斷增長(cháng)的電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的新磁性材料的新型軸向電機設計可以緩解這些問(wèn)題。IE5效率等級驅動(dòng)器（ABB）也正在認真考慮同步磁阻電動(dòng)機（SRM）。SRM既沒(méi)有轉子繞組也沒(méi)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(dòng)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(jià)值控制功能，如狀態(tài)監測，電能計量和工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )連接，可提高過(guò)程效率和可靠性。隔離技術(shù)是驅動(dòng)系統中的關(guān)鍵元件，因為它可以安全地將控制器用戶(hù)界面與連接到逆變器的危險高壓隔離開(kāi)來(lái)。
幾個(gè)高級別因素會(huì )影響給定驅動(dòng)器中的隔離要求和架構; 這些包括電機驅動(dòng)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。
圖1.整合的電機控制架構。
在許多情況下，關(guān)鍵隔離節點(diǎn)是柵極驅動(dòng)器和電機相電流感測電路。兩個(gè)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(gè)逆變器相臂，其中指示了高側柵極驅動(dòng)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。
圖2.三相逆變器支路中的信號參考。
隔離門(mén)驅動(dòng)器
從圖2中還可以看出隔離柵極驅動(dòng)器的基本要求。這些要求包括邏輯電平開(kāi)關(guān)信號的功能或安全隔離，以及能夠驅動(dòng)IGBT柵極電壓超過(guò)導通和關(guān)閉閾值的輸出驅動(dòng)器。在所需的時(shí)刻切換IGBT，最大限度地減少器件導通損耗，開(kāi)關(guān)損耗和EMI產(chǎn)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(huì )在一起，即使在短時(shí)間內也是如此。這需要在高側和低側開(kāi)關(guān)信號之間插入一個(gè)小的死區時(shí)間。在系統性能和IGBT保護（O'Sullivan）的背景下，最小化這個(gè)死區時(shí)間至關(guān)重要。
IGBT導通需要將IGBT驅動(dòng)到飽和區域，在此處導通損耗將最小化。這通常意味著(zhù)導通電壓> 12 V. IGBT關(guān)斷需要將IGBT驅動(dòng)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(guò)將IGBT柵極發(fā)射極電壓降低到0V來(lái)實(shí)現。但是，當高側晶體管導通時(shí)必須考慮次要影響。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓的快速轉換導致瞬態(tài)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(guò)低側柵極驅動(dòng)器（Z DRIVER）的關(guān)斷阻抗如圖3所示，在低端IGBT柵極發(fā)射極端子處產(chǎn)生瞬態(tài)電壓反彈，如圖所示。如果此電壓超過(guò)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。
圖3. IGBT開(kāi)關(guān)中的米勒效應
通常有兩種方法來(lái)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(dòng)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(zhù)通常需要> 8.5 V的感應電壓瞬變來(lái)引起虛假導通。這通常足以防止虛假開(kāi)啟。一種互補的方法是在完成關(guān)斷轉換之后的一段時(shí)間內減小柵極驅動(dòng)器電路的關(guān)斷阻抗。這被稱(chēng)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(guò)利用非對稱(chēng)柵極電阻器來(lái)導通和關(guān)斷，可以提供控制開(kāi)關(guān)速率的額外靈活性。所有這些柵極驅動(dòng)器功能都對整個(gè)系統的可靠性和效率產(chǎn)生積極影響。
電動(dòng)機驅動(dòng)器中的過(guò)電流保護通常在幾個(gè)級別上實(shí)現。持續過(guò)電流和瞬態(tài)過(guò)電流之間的區別可以包括在驅動(dòng)保護方案中，并且這些過(guò)電流事件具有不同的跳閘水平和時(shí)間常數。這種過(guò)流保護通�；陔娏鳒y量來(lái)實(shí)現。對于非�？焖偾铱赡馨l(fā)生災難性的過(guò)流事件，例如逆變器輸出上的短路，在柵極驅動(dòng)器內集成快速動(dòng)作保護機制可能是有利的。通過(guò)在IGBT導通時(shí)監控IGBT集電極發(fā)射極電壓來(lái)實(shí)現去飽和保護。當IGBT飽和時(shí)，導通狀態(tài)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(fā)故障并且一旦導通狀態(tài)電壓增加超過(guò)可接受的水平就快速關(guān)斷IGBT。存在短消隱時(shí)間，在此期間保護電路不監視IGBT的導通狀態(tài)電壓。這包括在開(kāi)啟事件期間由于集電極發(fā)射極電壓轉換和/或瞬態(tài)過(guò)電流而在開(kāi)啟時(shí)防止誤觸發(fā)。
該ADUM4135ADI公司的隔離柵極驅動(dòng)器具有雙極性電源，米勒鉗位和非對稱(chēng)導通和關(guān)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(yè)界領(lǐng)先的50 ns和15 ns的典型值。減少死區時(shí)間的系統影響如圖4所示，其中描述了兩個(gè)不同死區時(shí)間的逆變器輸出線(xiàn)到低電機速度的線(xiàn)電壓。與光耦合器技術(shù)相關(guān)的死區時(shí)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(dòng)和振動(dòng)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，
圖4.在（a）500 ns死區時(shí)間（b）1μs死區時(shí)間測得的線(xiàn)電機電壓。
隔離電流感
電機相電流檢測節點(diǎn)連接到與柵極驅動(dòng)器輸出相同的電路節點(diǎn)，如圖2所示，用于基于分流的測量。因此，它們經(jīng)歷相同的隔離電壓和開(kāi)關(guān)瞬變。相電流檢測對于高性能閉環(huán)電機控制至關(guān)重要，在這種惡劣的電噪聲環(huán)境中實(shí)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(lái)自ADI公司。前面的系統通常使用去飽和柵極驅動(dòng)器功能來(lái)實(shí)現所概述的短路過(guò)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(guò)快速粗略的數字濾波器（O'Byrne）直接實(shí)現這一點(diǎn)。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持
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