若何增强工业电机控制机能？这有两款隔离解决筹划_栅极_暗记

电机掌握系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器；检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器；以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。
无论是出于安全缘故原由，还是为了优化性能，都哀求精心选择这些器件。

虽然隔离是很主要的系统考虑，但它也存在缺陷：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统本钱。
系统设计师传统上乞助于光隔离方案，多年来，它是系统隔离的最佳选择。

最近十年来，基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器供应了一种可行且在很多时候更优胜的替代方案；从系统角度考虑，它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。
接下来先容两种隔离办理方案，重点论述磁隔离对延迟时序性能的改进，以及由此给电机掌握运用在系统层面带来的好处。

隔离方法

光耦利用光作为紧张传输方法，如图1所示。
发送侧包括一个LED，高电平旗子暗记开启LED，低电平旗子暗记关闭LED。
吸收侧利用光电检测器将吸收到的光旗子暗记转换回电旗子暗记。
隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料供应，但也可利用额外的隔离层(常日基于聚合物)予以增强。

图1. 光耦构造

光耦的最大缺陷之一是：LED老化，会使传输特性漂移；设计职员必须考虑这一额外问题。
LED老化导致时序性能随着韶光和温度而漂移。
因此，旗子暗记传输和上升/低落韶光会受影响，使设计繁芜化，尤其是考虑到本文后面要处理的问题。

光耦的性能扩展也是受限的。
为了提高数据速率，必须战胜光耦固有的寄生电容问题，该问题会导致功耗升高。
寄生电容还会供应耦合机制，导致基于光耦的隔离器件的CMTI(共模瞬变抗扰度)性能劣于竞争方案。

磁隔离器(基于变压器)已大规模运用十多年，是光耦合器的有效替代方案。
这类隔离器基于标准CMOS技能，采取磁传输事理，隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅构成，如图2所示。
低电平电流以脉冲办法通过线圈传输，产生一个磁场，磁场穿过隔离栅，在隔离栅另一侧的第二线圈中感生一个电流。
由于采取标准CMOS构造，其在功耗和速率方面具有明显上风，而且不存在光耦合器干系的寿命偏差问题。
此外，基于变压器的隔离器的CMTI性能优于基于光耦合器的隔离器。

图2. 磁性变压器构造

基于变压器的隔离器还许可利用常规的旗子暗记处理模块(防止传输杂散输入)和高等传输编解码机制。
这样就可以实现双向数据传输，利用不同编码方案来优化功耗与传输速率的关系，以及将主要旗子暗记更快速、更同等地传输到隔离栅另一端。

延迟特性比较

所有隔离器的一个主要但常常被轻视的特性是其传输延迟。
此特性衡量旗子暗记(可以是驱动旗子暗记或故障检测旗子暗记)沿任一方向跨过隔离栅所需的韶光。
技能不同，传输延迟差别很大。
常日供应的是范例延迟值，但系统设计师特殊关注最大延迟，它是设计电机掌握系统须要考虑的主要特性。
表1给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传输延迟和延迟偏差值示例。

表1： 光耦合器和磁隔离器的范例延迟特性

如表1所示，磁隔离在最大延迟和延迟可重复性(偏差)方面上风明显。
这样，电机掌握设计职员对设计将更有信心，无需增加时序裕量以知足栅极驱动器特性。
对付电机掌握系统的性能和安全，这都有着非常主要的意义。

对电机掌握系统的系统影响

图3显示了互换电机掌握运用中采取的范例三相逆变器。
该逆变器由直流母线供电，直流电源常日是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从互换电源产生。
在大部分工业运用中，直流母线电压在300 V至1000 V范围内。
采取脉宽调制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的范例频率切换功率晶体管T1至T6，从而在电机端子上产生可变电压、可变频率的三相正弦互换电压。

图3. 电机掌握运用中的三相逆变器

PWM旗子暗记(如PWMaH和PWMaL)在电机掌握器(一样平常用途理器和/或FPGA实现)中产生。
这些旗子暗记一样平常是低压旗子暗记，与处理器共地。
为了精确开启和关闭功率晶体管，逻辑电平旗子暗记的电压电平和电流驱动能力必须被放大，其余还必须进行电平转换，从而以干系功率晶体管发射极为接地基准。
根据处理器在系统中的位置，这些旗子暗记可能还须要安全绝缘。

栅极驱动器(如图3中的GDRVaL和GDRVaH)实行这种功能。
每个栅极驱动器IC都须要一个以处理器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。
副边电源的电压电平必须能够开启功率晶体管(常日为15 V)，并有足够的电流驱动能力来给晶体管栅极充电和放电。

逆变器去世区韶光

功率晶体管有一个有限的开关韶光，因此，上桥和下桥晶体管之间的脉宽调制波形中必须插入一个去世区韶光，如图4所示。
这是为了防止两个晶体管意外同时接通，引起高压直流母线短路，进而造成系统故障和/或破坏风险。
去世区韶光的长度由两个成分决定：晶体管开关韶光和栅极驱动器传输延迟失落配(包括失落配的任何漂移)。
换言之，去世区韶光必须考虑PWM旗子暗记从处理器到上桥和下桥栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传输韶光差异。

图4. 去世区韶光插补

去世区韶光会影响施加到电机的均匀电压，尤其是在低速运转时。
实际上，去世区韶光会带来以下近似恒定幅度的偏差电压：

个中，VERROR为偏差电压，tDEAD为去世区韶光，tON和tOFF为晶体管开启和关闭延迟韶光，TS为PWM开关周期，VDC为直流母线电压，VSAT为功率晶体管的导通状态压降，VD为二极管导通电压。

当一个相电流改变方向时，偏差电压改变极性，因此，当线路电流过零时，电机线间电压发生阶跃变革。
这会引起正弦基波电压的谐波，进而在电机中产生谐波电流。
对付开环驱动采取的较大低阻抗电机，这是一个特殊主要的问题，由于谐波电流可能很大，导致低速振动、扭矩纹波和谐波加热。

在以下条件下，去世区韶光对电机输出电压失落真的影响最严重：

低速事情很主要，由于正是在这种模式下，施加的电机电压在任何情形下都非常低，去世区韶光导致的偏差电压可能是所施加电机电压的很大一部分。
此外，偏差电压导致的扭曲抖动的影响更有害，由于对系统惯性的滤波只有在较高速率下才可用。

在所有这些参数中，去世区韶光长度是唯一受隔离式栅极驱动器技能影响的参数。
去世区韶光长度的一部分是由功率晶体管的开关延迟韶光决定的，但别的部分与传播延迟失落配有关。
在这方面，光隔离器显然不如磁隔离技能。

运用示例

为相识释去世区韶光对电机电流失落真的影响，下面给出了基于三相逆变的开环电机驱动的结果。

逆变器栅极驱动器采取ADI公司的磁隔离器 (ADuM4223ADuM4223)，直接驱动IR的IRG7PH46UDPBF1200VIGBT，直流母线电压为700V，逆变器驱动开环V/f掌握模式下的三相感应电机。
利用阻性分压器和分流电阻，并结合隔离式∑–∆调制器(同样是来自ADI公司的AD7403)，分别丈量线电压和相电流。
各调制器输出的单位数据流被送至掌握处理器 (ADI公司的ADSP-CM408) 的sinc滤波器，数据在个中进行滤波和抽取后，产生电压和电流旗子暗记的精确表示。

sinc数字滤波器输出的线电压实测结果如图5所示。
实际线电压为10kHz的高开关频率波形，但它被数字滤波器滤除，以便显示我们感兴趣的低频部分。
相应的电机相电流如图6 所示。

图5. 实测线间电机电压：(左)500 ns去世区韶光；(右)1 µs去世区韶光

图6. 实测电机电流：(左)500 ns去世区韶光；(右)1µs去世区韶光

ADuM4223栅极驱动器的传输延迟失落配为12ns，因此可以利用IGBT开关所需的绝对最短去世区韶光。
对付IRIGBT，最短去世区韶光可设置为500ns。
从左图可看出，这种情形下的电压失落真极小。
同样，相电流也是很好的正弦波，因此扭矩纹波极小。
右图显示去世区韶光提高到1µs时的线电压和相电流。
此值更能代表光耦合栅极驱动器的需求，由于其传播延迟失落配和漂移更大。
电压和电流的失落真均有明显增加。
这种情形利用的感应电机是相对较小的高阻抗电机。

在更高功率的终端运用中，感应电机阻抗常日要低得多，导致电机电流失落真和扭矩纹波增加。
扭矩纹波在很多运用中都会产生有害影响，例如：电梯乘坐舒适度低落或机器系统中的轴承/联轴器磨损。

过流关断

当代栅极驱动器的另一个主要问题是处理器发出的关死灭令能以多快的速率在IGBT上实现。
这对付以下情形中的过流关断很主要：过流检测不是栅极驱动器本身的一部分，而是作为检测与滤波电路的一部分加以实现。
这方面的另一个压力是更高效率IGBT的短路耐受韶光缩短。
对此，IGBT技能的趋势是从业界标准10µs缩短到5µs乃至更短。
如图7所示，过流检测电路常日须要数微秒韶光来锁存故障；为了顺应总体发展趋势，必须采纳方法来缩短这一检测韶光。
该路径中的另一紧张成分是从处理器/FPGA输出到IGBT栅极(栅极驱动器)的传播延迟。

同样，磁隔离器相对付光学器件有明显上风，缘故原由是前者的传播延迟值非常小，常日在50ns旁边，不再是影响成分。
比较之下，光耦合器的传播延迟在500ns旁边，占到总时序预算的很大一部分。

图7. 故障关断时序

电机掌握运用的栅极驱动器关断时序如图8所示，个中处理器的关死灭令跟在IGBT栅极发射极旗子暗记之后。
从关断旗子暗记开始到IGBT栅极驱动旗子暗记靠近0的总延迟仅有72 ns。

图8. 过流关断栅极驱动器时序

小结

随着人们更加关注系统性能、效率和安全，电机掌握架构师在设计稳健系统时面临着日益繁芜的寻衅。
基于光耦合器的栅极驱动器是传统选择，但基于变压器的办理方案不仅在功耗、速率、韶光稳定性上更具上风，而且如本文所述，由于旗子暗记延迟缩短，其在系统性能和安全方面也有明显上风。
这使得设计职员可以在防止上桥和下桥开关同时接通的同时，有把握地缩短去世区韶光，改进系统性能。

此外，它还支持对系统命令和缺点作出更快速的相应，这同样能增强系统可靠性并提高安全性。
鉴于这些上风，基于变压器的隔离式栅极驱动器已成为电机掌握系统设计的一个紧张选择；强烈建议系统设计职员在设计下一个项目时，把器件延迟作为一项主要哀求。