工業(yè)電機驅動器中的柵極驅動和電流反饋信號隔離

作者：Dara O’Sullivan and Nicola O'Byrne

二十多年來，電動機能源效率一直是全球能源監(jiān)管機構關注的焦點。這是全球努力的一部分，旨在通過提高電力使用效率和使用可再生能源轉換一些能源來最大限度地減少碳排放。早期的電機效率法規(guī)是自愿的，但很快，這些法規(guī)成為強制性的，最低效率水平每 5 到 10 年增加一次。自電力普遍可用以來，鼠籠式感應電動機 （SQIM） 一直是該行業(yè)的主力，因為它在直接連接到三相交流電源時會啟動和運行。當前的IEC標準根據額定功率將這些電機的效率分為不同級別，范圍從標準效率（IE1）到超超高效（IE4）。如今，IE3 超高效率水平在世界上最大的工業(yè)地區(qū)（包括歐盟、美國、中國和日本）是強制性的。工廠運營商并沒有抵制這一變化，因為電機的資本成本只是電機使用壽命期間電力成本的一小部分。即使用 15 kW 超高效 IE4 電機替換超高效電機，也可以在兩年內收回節(jié)能的額外成本。電機效率要求的這種趨勢促使許多設備制造商從直接離線電機轉向基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種架構及其驅動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(guī)視為市場機會。與標準高效電機相比，優(yōu)質和超高效電機在材料、設計和制造方面的成本更高，但它們的市場價格更高。然而，新的IEC效率分類等級IE5和IE6的開發(fā)將給電機制造商帶來問題。電機專家認為，設計線路連接的SQIM以滿足高于IE4的效率水平將非常困難和昂貴，特別是在較低的功率范圍內（de Almeida）。最有可能的是，只有逆變器連接的電機才能滿足IE5和更高的效率水平。傳統上，永磁同步電機（PMSM）被選用于超高效率應用，但稀土轉子磁體的成本和可用性是一個問題。使用鐵氧體磁鐵或為支持不斷增長的電動汽車市場而開發(fā)的新型磁性材料的新型軸向電機設計可能會緩解其中一些擔憂。同步磁阻電機（SRM）也正在被認真考慮用于IE5效率水平驅動器（ABB）。SRM 既沒有轉子繞組也沒有磁鐵，與具有相同額定功率的同等 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增加了對基于IGBT的變頻器的需求，這些變頻器將整流的電源輸入轉換為驅動電機的變頻電壓。變頻器控制電機的輸出扭矩或速度與軸負載最佳匹配，以最大限度地降低能耗，降低電機運行溫度并提高電機可靠性。狀態(tài)監(jiān)測、功率計量和工廠網絡連接等增值控制功能可實現過程效率和可靠性。隔離技術是驅動系統中的關鍵要素，因為它可以安全地將控制器用戶界面與連接到逆變器的危險高壓隔離開來。

幾個高級因素會影響給定驅動器內的隔離要求和架構;其中包括電機驅動性能水平、通信接口的復雜性、控制器架構以及系統內遇到的電壓水平，如圖1所示。

圖1.整合的電機控制架構。

在許多情況下，關鍵隔離節(jié)點是柵極驅動器和電機相電流檢測電路。這兩個位置都涉及以開關高電壓電平為基準的受控或測量信號，并且必須至少包括某種形式的電平轉換，并且在許多情況下必須包括隔離（功能或安全），以便施加或提取接地參考信號。

圖2的概念圖對此進行了說明，該原理圖描述了單個逆變器相位支路，其中顯示了高端柵極驅動器信號和相電流分流測量信號的電平轉換和潛在信號隔離要求。

圖2.三相逆變器支路中的信號參考。

隔離式柵極驅動器

隔離式柵極驅動器的基本要求也可以從圖2中理解。其中包括邏輯電平開關信號的功能或安全隔離，以及能夠驅動IGBT柵極電壓超過導通和關斷閾值的輸出驅動器，以在所需時間時刻切換IGBT，從而最大限度地減少器件導通損耗、開關損耗和EMI產生。在三相逆變器中，IGBT以反相方式控制，因此高端和低端IGBT永遠不會一起導通，即使是短暫的瞬間。這需要在高端和低端開關信號之間插入一個小的死區(qū)周期。在系統性能和IGBT保護方面，最大限度地縮短死區(qū)時間至關重要（O'Sullivan）。

IGBT導通要求將IGBT驅動到飽和區(qū)域，使導通損耗最小化。IGBT關斷需要將IGBT驅動到工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導通后成功阻斷其兩端的反向高壓。>原則上，這可以通過將IGBT柵極發(fā)射極電壓降低到0 V來實現。但是，當高端晶體管導通時，必須考慮次要效應。開關節(jié)點電壓的快速轉換導致瞬態(tài)感應電流在低側IGBT寄生米勒電容（C廣東在圖 3 中）。該電流流過低側柵極驅動器（Z司機如圖3所示，在低側IGBT柵極發(fā)射極端產生瞬態(tài)電壓反彈。如果該電壓上升到IGBT閾值電壓以上，則V千，它可能導致低側IGBT短暫導通，導致逆變器支路瞬態(tài)擊穿，增加功耗并降低可靠性。

圖3.IGBT開關中的米勒效應。

通常有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應導通問題：使用雙極性電源和/或增加米勒箝位。在柵極驅動器的隔離側接受雙極性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的負電源軌意味著通常需要>8.5 V的感應電壓瞬變來感應雜散導通。這通常足以防止虛假導通。一種補充方法是在關斷轉換完成后的一段時間內降低柵極驅動器電路的關斷阻抗。這被稱為米勒箝位電路。容性電流現在在較低阻抗的電路中流動，從而減小了電壓瞬變的大小。通過使用非對稱柵極電阻器打開和關閉，可以在開關速率控制方面提供更大的靈活性。所有這些柵極驅動器功能對整體系統可靠性和效率都有積極影響。

電機驅動器中的過流保護通常在多個級別上實現。持續(xù)過流和瞬態(tài)過流之間的區(qū)別可能包括在驅動保護方案中，這些過流事件具有不同的跳閘電平和時間常數。這種類型的過流保護通?；陔娏鳒y量來實現。對于非常快速且可能具有災難性的過流事件，例如逆變器輸出短路，在柵極驅動器中集成快速動作保護機制可能是有利的。去飽和保護是通過在IGBT導通時監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓來實現的。當IGBT飽和時，導通狀態(tài)電壓是IGBT內電流電平的函數，這種保護功能可以設計為觸發(fā)故障，并在導通狀態(tài)電壓超過可接受的水平時迅速關閉IGBT。消隱時間很短，在此期間，保護電路不會監(jiān)視IGBT的導通狀態(tài)電壓。這包括防止由于集電極發(fā)射極電壓轉換和/或導通事件期間的瞬態(tài)過流而導致導通時誤觸發(fā)。

ADI公司的隔離式柵極驅動器ADUM4135集成了雙極性電源能力、米勒箝位以及非對稱導通和關斷輸出。此外，傳播延遲和更重要的是，傳播延遲偏斜分別處于業(yè)界領先的50 ns和15 ns典型值。減少死區(qū)時間對系統的影響如圖4所示，其中描述了兩種不同死區(qū)時間水平的低電機速度下的逆變器輸出線對線電壓。與光耦合器技術相關的死區(qū)時間要求增加，導致電機電壓和電流失真增加。這降低了性能，增加了扭矩脈動和振動，并且由于諧波損耗增加而降低了效率。這些失真效應在控制環(huán)路性能相對較低的逆變器應用中尤為明顯，然而，即使在具有高帶寬電流和速度控制的高性能驅動器中，與死區(qū)時間相關的失真也可能是極低速度性能的限制因素。

圖4.在 （a） 500 ns 死區(qū)時間 （b） 1μs 死區(qū)時間下測得的線間電機電壓。

隔離電流檢測

電機相電流檢測節(jié)點與柵極驅動器輸出連接到同一電路節(jié)點，如圖2所示，用于基于分流的測量。因此，它們會遇到相同的隔離電壓和開關瞬變。相電流檢測對于高性能閉環(huán)電機控制至關重要，在這種惡劣的電氣噪聲環(huán)境中實現高保真測量并非易事。在高功率系統中，使用隔離式電流傳感器（如電流互感器或霍爾效應傳感器）固有隔離，而在低功耗系統中，趨勢是使用分流電阻和隔離式Σ-Δ調制器，例如ADI公司的AD7403。前者系統通常使用去飽和柵極驅動器功能來實現短路過流保護，而后者基于隔離式調制器的電流檢測方案可以通過快速、粗糙的數字濾波器（O'Byrne）直接實現。這需要隔離調制器響應的精密時序和柵極驅動器中的低傳播延遲，而ADI公司的i耦合器技術可以實現這一點，而傳統的基于光耦合器的解決方案往往具有更長的傳播延遲。?

監(jiān)管環(huán)境

一旦開發(fā)出滿足所需性能的驅動架構，系統的設計必須符合行業(yè)電氣安全標準。為了選擇合適的隔離元件，了解柵極驅動器和電流檢測節(jié)點的隔離要求至關重要。每個節(jié)點可以是安全隔離（增強）、基本絕緣或功能絕緣。任何單個節(jié)點的要求可以是安全絕緣以防止人為電擊，或隔離以保護低壓電路，或隔離用于數據完整性和噪聲抑制目的，如圖1所示。系統級要求可以通過具有多個絕緣屏障來實現。IEC61800-5-1 是一個長期存在的系統級電機驅動標準，驅動器設計必須遵守該標準以實現系統絕緣。

無論標準是什么，它都不涉及組件的評估。IEC61800-5-1建議可以使用支持系統標準要求的組件級標準。IEC60747-5-5針對基于光耦合器的組件，而VDE-0884-10是IEC60747-5-5的非光隔離器版本，自2006年以來一直針對數字隔離器。VDE-0884-11 于 2014 年開發(fā)和批準，并具有額外的壽命表征要求。這已作為IEC60747-17提交給IEC批準，通常有三年的周期。在此期間，VDE-0884-11可作為IEC等效標準提供，如圖5所示。

圖5.非光隔離器標準的演變。

結論

關于電機能效的新國際法規(guī)正在加速從定速、直接在線感應電機向變頻器控制機器的過渡。一個常見的要求是IGBT柵極驅動和某種形式的電流測量，以在簡單的開環(huán)逆變器中提供保護，直到驅動器和伺服系統中的高保真電流控制。這些電路的技術要求越來越關注時序和測量的精度，以及可靠性和魯棒性。信號隔離在監(jiān)管框架內的實施和解決系統設計方面都是一個關鍵挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷