電源逆變器應(yīng)用中的隔離架構(gòu)、電路和元件選擇

作者：Aengus Murray and Robert Zwicker

電機(jī)和功率控制逆變器設(shè)計(jì)人員共享將控制和用戶界面電路與危險(xiǎn)電源線電壓隔離的常見(jiàn)問(wèn)題。其關(guān)鍵要素是防止電源線電壓損壞控制電路的基本要求，更重要的是，保護(hù)用戶免受危險(xiǎn)電壓的影響。系統(tǒng)必須符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 61800和IEC 62109）定義的安全要求，這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和太陽(yáng)能逆變器等應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重于合規(guī)性測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)的一致性測(cè)試如何賦予工程師自由？它為工程師提供安全方面的指導(dǎo)，但它如何提供自由，以便工程師可以選擇滿足目標(biāo)系統(tǒng)規(guī)范（包括標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性）所需的適當(dāng)架構(gòu)、電路和組件？這些決策受電路在效率、帶寬和精度方面提供所需系統(tǒng)性能的能力的影響，同時(shí)仍滿足安全隔離要求。設(shè)計(jì)創(chuàng)新系統(tǒng)的挑戰(zhàn)在于，為現(xiàn)有架構(gòu)、電路和組件開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)規(guī)則可能不再適用。因此，工程師需要投入時(shí)間仔細(xì)評(píng)估新電路或組件的能力，以滿足EMC和安全標(biāo)準(zhǔn)。在某些地區(qū)，負(fù)擔(dān)更加繁重，因?yàn)槿绻こ處熞蛩O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的安全功能故障而造成傷害，工程師可能要承擔(dān)個(gè)人責(zé)任。本文探討了系統(tǒng)架構(gòu)選擇對(duì)電源和控制電路設(shè)計(jì)的影響以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。它將展示最近可用的隔離組件的性能改進(jìn)如何使替代架構(gòu)能夠在不影響安全性的情況下提供系統(tǒng)性能改進(jìn)。

隔離架構(gòu)

問(wèn)題是您需要根據(jù)用戶提供的命令安全地控制從交流電源到負(fù)載的功率流。這個(gè)問(wèn)題在圖1所示的高級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖中描述了三個(gè)電源域：命令、控制和電源。安全約束是用戶命令電路必須與電源電路上的危險(xiǎn)電壓電氣隔離。架構(gòu)決策基于是將隔離柵放置在命令和控制電路之間，還是將其放置在控制和電源電路之間。在任何電路之間引入隔離柵都會(huì)危及信號(hào)完整性并增加成本。模擬反饋信號(hào)的隔離尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榻?jīng)典的變壓器方法抑制直流信號(hào)分量并引入非線性。數(shù)字信號(hào)隔離在低速時(shí)相對(duì)容易，但在高速或需要低延遲時(shí)更具挑戰(zhàn)性和功耗。在具有三相逆變器的系統(tǒng)中，電源隔離具有驚人的挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡娫措娐飞嫌卸鄠€(gè)電源域。電源電路有四個(gè)不同的域，需要在功能上相互隔離;因此，高端柵極驅(qū)動(dòng)和繞組電流信號(hào)需要在功能上與控制電路隔離，即使兩者都可能以電源接地為基準(zhǔn)。

圖1.電機(jī)控制系統(tǒng)中的隔離架構(gòu)。

非隔離控制架構(gòu)在控制和電源電路之間具有公共接地連接。這使電機(jī)控制ADC能夠訪問(wèn)電源電路中的所有信號(hào)。當(dāng)電機(jī)繞組電流流經(jīng)低側(cè)逆變器支路時(shí)，ADC對(duì)基于中心的PWM信號(hào)中點(diǎn)的電機(jī)繞組電流進(jìn)行采樣。低側(cè)IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)器可以是簡(jiǎn)單的非隔離類型，但PWM信號(hào)需要與具有功能隔離或電平轉(zhuǎn)換的三個(gè)高邊IGBT柵極隔離。命令和控制電路之間的隔離所帶來(lái)的復(fù)雜性取決于最終應(yīng)用，但通常涉及使用單獨(dú)的系統(tǒng)和通信處理器。這在家用電器或低端工業(yè)應(yīng)用中是可以接受的，在這些應(yīng)用中，簡(jiǎn)單的處理器管理前面板接口并通過(guò)慢速串行接口發(fā)送速度命令。由于命令接口的帶寬要求很高，非隔離架構(gòu)在機(jī)器人和自動(dòng)化中使用的高性能驅(qū)動(dòng)器中不太常見(jiàn)。

隔離控制架構(gòu)在控制和命令電路之間具有公共接地連接。這允許控制和命令接口之間非常緊密的耦合，并允許使用單個(gè)處理器。隔離問(wèn)題轉(zhuǎn)移到功率逆變器信號(hào)上，帶來(lái)了一系列不同的挑戰(zhàn)。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要相對(duì)高速的數(shù)字隔離，以滿足逆變器的時(shí)序要求。磁性或光耦合驅(qū)動(dòng)器在逆變器應(yīng)用中運(yùn)行良好，由于存在非常高的電壓，隔離要求非常嚴(yán)格。由于所需的動(dòng)態(tài)范圍和帶寬較低，因此對(duì)直流母線電壓隔離電路的要求適中。電機(jī)電流反饋是高性能驅(qū)動(dòng)器面臨的最大挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰邘?、線性隔離。電流互感器（CT）是一個(gè)顯而易見(jiàn)的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁┮子诳s放的隔離信號(hào)。CT在低電流下具有非線性，不傳輸直流電平，但廣泛用于低端逆變器。CT也用于具有非隔離控制架構(gòu)的高功率逆變器，因?yàn)榉至鲹p耗變得過(guò)大。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器可以測(cè)量直流，因此它們更適合高端驅(qū)動(dòng)器，但存在偏移。阻性分流器提供具有低失調(diào)的高帶寬線性信號(hào)，但需要與高帶寬、低失調(diào)隔離放大器匹配。通常，電機(jī)控制ADC直接對(duì)隔離電流信號(hào)進(jìn)行采樣，但下一節(jié)中介紹的替代測(cè)量架構(gòu)將隔離問(wèn)題轉(zhuǎn)移到數(shù)字域，并顯著提高了性能。

使用隔離式轉(zhuǎn)換器的逆變器反饋

改善隔離系統(tǒng)線性度的常用方法是將ADC移至隔離柵的另一側(cè)，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。在許多情況下，這使用串行ADC和數(shù)字信號(hào)隔離器。對(duì)電機(jī)電流反饋的高頻與驅(qū)動(dòng)保護(hù)的快速響應(yīng)的特定要求將ADC選擇轉(zhuǎn)向Σ-Δ型。Σ-Δ ADC 具有一個(gè)線性調(diào)制器，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單個(gè)比特流，然后是一個(gè)數(shù)字濾波器，將信號(hào)重建為高分辨率數(shù)字字。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用兩種不同的數(shù)字濾波器;一個(gè)較慢的用于高保真回饋，第二個(gè)低保真快速濾波器用于逆變器保護(hù)。在圖2中，繞組分流器測(cè)量電機(jī)繞組電流，隔離ADC跨越隔離柵發(fā)送10 MHz數(shù)據(jù)流。sinc濾波器向電機(jī)控制算法提供高分辨率電流數(shù)據(jù)，該算法計(jì)算施加所需逆變器電壓所需的逆變器占空比。第二個(gè)較低分辨率的濾波器檢測(cè)電流過(guò)載，并在發(fā)生故障時(shí)向PWM調(diào)制器發(fā)送跳閘信號(hào)。sinc濾波器頻率響應(yīng)曲線說(shuō)明了適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)選擇如何使濾波器能夠抑制來(lái)自當(dāng)前樣本的PWM開(kāi)關(guān)紋波。

圖2.隔離式電流反饋。

圖3.Sinc濾波器頻率響應(yīng)。

電源輸出隔離

兩種控制架構(gòu)的共同問(wèn)題是需要支持多個(gè)隔離電源域。如果每個(gè)域中需要多個(gè)偏置軌，則這更加困難。圖4所示電路可高效產(chǎn)生+15 V和–7.5 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓和+5 V電壓ADC供電電壓，全部在一個(gè)域中，每個(gè)域僅使用一個(gè)變壓器繞組和兩個(gè)引腳。這種設(shè)計(jì)使得使用單個(gè)變壓器鐵芯和線軸為四個(gè)不同的電源域創(chuàng)建雙電源或三電源軌成為可能。

圖4.用于柵極驅(qū)動(dòng)器和電流反饋轉(zhuǎn)換器的隔離電源電路。

審核編輯：郭婷