交流電壓電機驅動(dòng)的數字隔離
隔離是交流電壓電機驅動(dòng)不可分割的一部分。電氣隔離的方法有多種——主要采用光耦合器和數字隔離器。使用數字隔離器與傳統的光耦合器相比具有數種優(yōu)勢——其中包括成本更低、元件數量更少、可靠性更強。本文以傳統電機控制器設計為基礎，對幾種隔離方法進(jìn)行比較，以突顯數字隔離器的優(yōu)勢。
光耦合器與數字隔離器的背景知識
光耦合器使用LED發(fā)出的光將數據通過(guò)隔離柵傳輸到一個(gè)光電二極管。當LED開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，將在電氣隔離光電二極管一端產(chǎn)生邏輯高和低信號。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)。提升速度的一種方式是提高LED電流，但其代價(jià)是功耗的增加。
而基于變壓器的數字隔離器借助變壓器以磁性方式將數據通過(guò)隔離柵進(jìn)行耦合。變壓器電流脈沖通過(guò)一個(gè)線(xiàn)圈，形成一個(gè)很小的局部磁場(chǎng)，從而在另一個(gè)線(xiàn)圈生成感應電流。變壓器的傳輸速率自然比光耦合器快很多。而且變壓器為差分架構，具有出色的共模瞬變抗擾度。另外，由于數字隔離器基于變壓器，而光耦合器則基于LED，因此，數字隔離器的可靠性/MTTF要遠遠優(yōu)于光耦合器。
電機驅動(dòng)設計中的隔離
圖1所示為Boston Engineering Corporation開(kāi)發(fā)的高電壓FlexMC電機控制驅動(dòng)的框圖()，它能與ADSP-CM40x混合信號控制處理器對接。它接收一個(gè)通用交流輸入，提供一個(gè)功率因數校正(PFC)前端，驅動(dòng)一個(gè)永磁同步電機(PMSM)，并為一個(gè)帶傳感器或不帶傳感器的控制裝置提供必要的反饋調理，此裝置運行于A(yíng)RM® Cortex™-M4混合信號控制處理器ADSP-CM40x及一個(gè)16位高精度模擬前端。中間部分是一個(gè)隔離柵，位于高電壓電源電子元件和控制器之間。電機電源電子元件隨高電壓電勢而浮動(dòng)，而ADSP-CM40x處理器則以接地為基準，因此需要進(jìn)行隔離。本文將討論選擇數字隔離器而非光電耦合器將如何改善該設計。
圖1. 電機控制框圖
在閉環(huán)電機控制設計中，兩個(gè)關(guān)鍵的硬件構成為脈沖寬度調制(PWM)控制器輸出和電機相位電流反饋。這些信號(如框圖所示)通過(guò)隔離柵。另外，隔離器的使用還可惠及幾種其他功能，包括數字通信和低電壓、低功耗和隔離DC-DC轉換。
PWM隔離
對功率級進(jìn)行脈沖寬度調制，這是所有電機驅動(dòng)的核心所在。開(kāi)關(guān)頻率范圍一般為10 kHz – 20 kHz。在優(yōu)化控制性能時(shí)，對脈沖寬度、停滯時(shí)間和通道間延遲的精密控制顯得至關(guān)重要。在為PWM控制信號選擇適當的隔離器件時(shí)，數字隔離器在性能和成本兩個(gè)方面都要遠遠優(yōu)于同級別的光耦合器選項(見(jiàn)表1中的比較)。
| PWM 隔離 | ||
| ADuM1310 | 光耦合器解決方案 | |
| 尺寸(平方英寸) | 0.5 | 0.45 |
| 千片訂量成本(美元/片) | 3.98 | 9.72 |
| 元件數量 | 2 | 6 |
| 最大速率(Mbps) | 90 | 50 |
| 最大傳播延遲(ns) | 32 | 650 |
| 輸出上升/下降時(shí)間(ns) | 2.5 | 550 |
| 通道間匹配(ns) | 2 | 500 |
| 電介質(zhì)隔離(Vrms) | 2500 | 3750 |
| MTTF (10^6 小時(shí)) | 318 | 12.7 |
| 功耗(mW) | 15 | 105 |
例如，控制器將在開(kāi)關(guān)信號之間引入停滯時(shí)間，以防止任何高端和低端晶體管對同時(shí)傳導(即直通)。停滯時(shí)間為功率開(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。ADuM1310數字隔離器的通道間匹配時(shí)間僅為2 ns，光耦合器則高達500 ns。采用數字隔離器可以大幅縮減停滯時(shí)間，從而提高功率逆變器的性能。另外，如比較表中所示，除了性能以外，ADuM1310還是一種集成度更高的解決方案，可以減少元件數量和物料成本。
電機相位電流
多數高級電機驅動(dòng)以電機相位電流為主反饋。為了提供連續的反饋，將超低電阻分流電阻與電機相位串聯(lián)起來(lái)。然而，這會(huì )增加電路的復雜性，因為需要測量毫伏級的信號以及以快速dv/dt高頻切換的百伏級共模電壓擺幅。對于這種設計，兩個(gè)AD7401A隔離式Σ-Δ調制器用來(lái)測量電機繞組電流，數字位流則由ADSP-CM40x上的數字過(guò)濾電路進(jìn)行處理。ADSP-CM40x的內置sinc濾波器允許與隔離式Σ-Δ型調制器實(shí)現無(wú)縫連接。第三相電流可以基于另外兩相電流以數學(xué)方法計算得到，以減少功耗、降低元件成本。AD7401A在單封裝中集成了一個(gè)差分采樣保持級、一個(gè)Σ-Δ調制器和數字隔離機制。高電壓端模擬信號被轉換成一個(gè)數字串行數據流，然后通過(guò)隔離柵傳輸至低電壓端。AD7401A還含有一個(gè)時(shí)鐘輸入引腳，只需一個(gè)時(shí)鐘源，即可同時(shí)對各器件進(jìn)行測量。正如表2所示，市場(chǎng)上的確存在集成度和成本類(lèi)似的光耦合器；然而，數字隔離器技術(shù)在功耗、速度和可靠性方面的表現仍然更加突出，這是與器件的基礎結構相關(guān)的，更不用說(shuō)AD7401A出色的調制器性能。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持
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