隔離是交流電壓電機(jī)驅(qū)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(shù)字隔離器。使用數(shù)字隔離器與傳統(tǒng)的光耦合器相比具有數(shù)種優(yōu)勢(shì)——其中包括成本更低、元件數(shù)量更少、可靠性更強(qiáng)。本文以傳統(tǒng)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，對(duì)幾種隔離方法進(jìn)行比較，以突顯數(shù)字隔離器的優(yōu)勢(shì)。
光耦合器與數(shù)字隔離器的背景知識(shí)
光耦合器使用 LED 發(fā)出的光將數(shù)據(jù)通過(guò)隔離柵傳輸?shù)揭粋€(gè)光電二極管。當(dāng) 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(hào)。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(shù)字隔離器借助變壓器以磁性方式將數(shù)據(jù)通過(guò)隔離柵進(jìn)行耦合。變壓器電流脈沖通過(guò)一個(gè)線圈，形成一個(gè)很小的局部磁場(chǎng)，從而在另一個(gè)線圈生成感應(yīng)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(gòu)，具有出色的共模瞬變抗擾度。另外，由于數(shù)字隔離器基于變壓器，而光耦合器則基于 LED，因此，數(shù)字隔離器的可靠性 /MTTF 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光耦合器。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的隔離
圖 1 所示為 Boston Engineering Corporation 開(kāi)發(fā)的高電壓 FlexMC 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)的框圖，它能與 ADSP-CM40x 混合信號(hào)控制處理器對(duì)接。它接收一個(gè)通用交流輸入，提供一個(gè)功率因數(shù)校正(PFC)前端，驅(qū)動(dòng)一個(gè)永磁同步電機(jī)(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(diào)理，此裝置運(yùn)行于 ARM® Cortex™-M4 混合信號(hào)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(jī)電源電子元件隨高電壓電勢(shì)而浮動(dòng)，而 ADSP-CM40x 處理器則以接地為基準(zhǔn)，因此需要進(jìn)行隔離。本文將討論選擇數(shù)字隔離器而非光電耦合器將如何改善該設(shè)計(jì)。
圖 1. 電機(jī)控制框圖
在閉環(huán)電機(jī)控制設(shè)計(jì)中，兩個(gè)關(guān)鍵的硬件構(gòu)成為脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器輸出和電機(jī)相位電流反饋。這些信號(hào)(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(shù)字通信和低電壓、低功耗和隔離 DC-DC 轉(zhuǎn)換。
PWM 隔離
對(duì)功率級(jí)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，這是所有電機(jī)驅(qū)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(duì)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(hào)選擇適當(dāng)?shù)母綦x器件時(shí)，數(shù)字隔離器在性能和成本兩個(gè)方面都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同級(jí)別的光耦合器選項(xiàng)(見(jiàn)表 1 中的比較)。
表 1. PWM 數(shù)字隔離器與光耦合器的比較
例如，控制器將在開(kāi)關(guān)信號(hào)之間引入停滯時(shí)間，以防止任何高端和低端晶體管對(duì)同時(shí)傳導(dǎo)(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(shù)。ADuM1310 數(shù)字隔離器的通道間匹配時(shí)間僅為 2 ns，光耦合器則高達(dá) 500 ns。采用數(shù)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(shù)量和物料成本。
電機(jī)相位電流
多數(shù)高級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以電機(jī)相位電流為主反饋。為了提供連續(xù)的反饋，將超低電阻分流電阻與電機(jī)相位串聯(lián)起來(lái)。然而，這會(huì)增加電路的復(fù)雜性，因?yàn)樾枰獪y(cè)量毫伏級(jí)的信號(hào)以及以快速 dv/dt 高頻切換的百伏級(jí)共模電壓擺幅。對(duì)于這種設(shè)計(jì)，兩個(gè) AD7401A 隔離式Σ-Δ調(diào)制器用來(lái)測(cè)量電機(jī)繞組電流，數(shù)字位流則由 ADSP-CM40x 上的數(shù)字過(guò)濾電路進(jìn)行處理。ADSP-CM40x 的內(nèi)置 sinc 濾波器允許與隔離式Σ-Δ型調(diào)制器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。第三相電流可以基于另外兩相電流以數(shù)學(xué)方法計(jì)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(jí)、一個(gè)Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字隔離機(jī)制。高電壓端模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字串行數(shù)據(jù)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(duì)各器件進(jìn)行測(cè)量。正如表 2 所示，市場(chǎng)上的確存在集成度和成本類似的光耦合器；然而，數(shù)字隔離器技術(shù)在功耗、速度和可靠性方面的表現(xiàn)仍然更加突出，這是與器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相關(guān)的，更不用說(shuō) AD7401A 出色的調(diào)制器性能。
表 2. 相位電流數(shù)字隔離器與光耦合器比較
數(shù)字通信
I2C 是一款雙線、多分支通信接口，通常用于為控制器提供數(shù)字或模擬 I/O 擴(kuò)展能力。這種方法通常是定期監(jiān)控或更新的“一般管理”類功能的預(yù)留方法。FlexMC 高電壓電路板采用一個(gè) I2C 接口來(lái)與 PFC 控制器進(jìn)行通信，同時(shí)以一個(gè) ADC 來(lái)監(jiān)控總線電壓、總線電流和 IGBT 溫度。相反，沒(méi)有一款光耦合器能夠單獨(dú)提供 I2C 隔離能力。結(jié)果，如表 3 所示，ADuM1250 在成本、尺寸、元件數(shù)量和性能方面都是比光耦合器更具優(yōu)勢(shì)的 I2C 隔離選擇。ADuM1250 允許 ADSP-CM40x 控制器僅僅使用一個(gè)雙線外設(shè)接口通過(guò)一個(gè)隔離器對(duì)高電壓端的所有這些功能進(jìn)行監(jiān)控。
表 3. I2C 數(shù)字隔離器與光耦合器的比較
隔離電源
數(shù)字隔離器技術(shù)給這種設(shè)計(jì)帶來(lái)的另一優(yōu)勢(shì)在于可以產(chǎn)生超低電平的隔離電源。兩個(gè) ADuM5000 器件用于產(chǎn)生 5 V 隔離電源，具備最高 500 mW 的功率輸出能力。這些用于驅(qū)動(dòng)Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的模擬端，后者會(huì)隨快速變化的電機(jī)電壓而浮動(dòng)。這些隔離電源與數(shù)據(jù)隔離器采用相同的技術(shù)，因此，它們都內(nèi)置了一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率為 180 MHz 的變壓器。這一頻率比標(biāo)準(zhǔn) DC-DC 轉(zhuǎn)換器高出三個(gè)數(shù)量級(jí)，因而允許大幅縮減尺寸。ADuM5000 器件采用 SOIC-16 封裝，是提供低功率隔離電壓的一種簡(jiǎn)便方案。
SOIC-16
SOIC-16
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