隔離用戶及敏感電子部件是電機(jī)控制系統(tǒng)的緊要考慮事項。安全隔離用于保護(hù)用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護(hù)設(shè)備和器件。電機(jī)控制系統(tǒng)可能蘊含各種各樣的隔離器件，例如：驅(qū)動電路中的隔離式柵極驅(qū)動器；測試電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字隔離器。無論是出于安全原由，還是為了優(yōu)化性能，都要求精心選擇這些器件。

雖然隔離是很緊要的系統(tǒng)考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨越隔離柵傳輸數(shù)據(jù)會萌生延遲，而且會新增系統(tǒng)成本。系統(tǒng)設(shè)計師傳統(tǒng)上求助于光隔離方法，多年來，它是系統(tǒng)隔離的當(dāng)然選擇。最近十年來，基于磁性(變壓器傳輸)辦法的數(shù)字隔離器供應(yīng)了一種可行且在很多時候更優(yōu)越的替代方法；從系統(tǒng)角度考慮，它還具備系統(tǒng)設(shè)計師可能尚未認(rèn)識到的優(yōu)勢。

本文將討論這兩種隔離處理方法，重點論述磁隔離對延遲時序性能的改善，以及由此給電機(jī)控制使用在系統(tǒng)層面帶來的好處。

隔離辦法

光耦利用光作為緊要傳輸辦法，如圖1所示。發(fā)送側(cè)包括一個LED，高電平信號開啟LED，低電平信號封閉LED。接收側(cè)利用光電測試器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換回電信號。隔離由LED與光電測試器之間的塑封材料供應(yīng)，但也可利用額外的隔離層(通常基于聚合物)予以加強(qiáng)。

圖1.光耦結(jié)構(gòu)

光耦的最大缺點之一是：LED老化，會使傳輸特性漂移；設(shè)計人員非得考慮這一額外問題。LED老化導(dǎo)致時序性能隨著時間和溫度而漂移。因此，信號傳輸和上升/下降時間會受影響，使設(shè)計復(fù)雜化，尤其是考慮到本文后面要解決的問題。

光耦的性能擴(kuò)展也是受限的。為了提高數(shù)據(jù)速率，非得克服光耦固有的寄生電容問題，該問題會導(dǎo)致功耗升高。寄生電容還會供應(yīng)耦合機(jī)制，導(dǎo)致基于光耦的隔離器件的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競爭方法。

磁隔離器(基于變壓器)已大規(guī)模使用十多年，是光耦合器的有效替代方法。這類隔離器基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，采用磁傳輸原理，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構(gòu)成，如圖2所示。低電平電流以脈沖方式通過線圈傳輸，萌生一個磁場，磁場穿過隔離柵，在隔離柵另一側(cè)的第二線圈中感生一個電流。由于采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS結(jié)構(gòu)，其在功耗和速度方面具有分明優(yōu)點，而且不存在光耦合器相關(guān)的壽命偏差問題。此外，基于變壓器的隔離器的CMTI性能優(yōu)于基于光耦合器的隔離器。

圖2.磁性變壓器結(jié)構(gòu)

基于變壓器的隔離器還準(zhǔn)許使用常規(guī)的信號解決模塊(戒備傳輸雜散輸入)和高級傳輸編解碼機(jī)制。這樣就可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，使用不同編碼方法來優(yōu)化功耗與傳輸速率的關(guān)系，以及將緊要信號更快速、更一致地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。

延遲特性比較

所有隔離器的一個緊要但經(jīng)常被輕視的特性是其傳輸延遲。此特性掂量信號(可以是驅(qū)動信號或故障測試信號)沿任一方向跨越隔離柵所需的時間。技術(shù)不同，傳輸延遲差別很大。通常供應(yīng)的是典型延遲值，但系統(tǒng)設(shè)計師特別關(guān)注最大延遲，它是設(shè)計電機(jī)控制系統(tǒng)要考慮的緊要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅(qū)動器的傳輸延遲和延遲偏差值示例。

表1：光耦合器和磁隔離器的典型延遲特性

如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重復(fù)性(偏差)方面優(yōu)點分明。這樣，電機(jī)控制設(shè)計人員對設(shè)計將更加有信心，無需新增時序裕量以滿足柵極驅(qū)動器特性。有關(guān)電機(jī)控制系統(tǒng)的性能和安全，這都有著非常緊要的意義。

對電機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)影響

圖3顯示了交流電機(jī)控制使用中采用的典型三相逆變器。該逆變器由直流母線供電，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器筆直從交流電源萌生。在大部分工業(yè)使用中，直流母線電壓在300V至1000V范圍內(nèi)。采用脈寬調(diào)制(PWM)方法，以5kHz至10kHz的典型頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機(jī)端子上萌生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。

圖3.電機(jī)控制使用中的三相逆變器

PWM信號(如PWMaH和PWMaL)在電機(jī)控制器(一般用解決器和/或FPGA實現(xiàn))中萌生。這些信號一般是低壓信號，與解決器共地。為了正確開啟和封閉功率晶體管，邏輯電平信號的電壓電平和電流驅(qū)動能力非得被放大，另外還非得進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而以相關(guān)功率晶體管發(fā)射極為接地基準(zhǔn)。依據(jù)解決器在系統(tǒng)中的位置，這些信號可能還要安全絕緣。

柵極驅(qū)動器(如圖3中的GDRVaL和GDRVaH)執(zhí)行這種功能。每個柵極驅(qū)動器IC都要一個以解決器地為基準(zhǔn)的原邊電源電壓和一個以晶體管發(fā)射極為基準(zhǔn)的副邊電源。副邊電源的電壓電平非得能夠開啟功率晶體管(通常為15V)，并有足夠的電流驅(qū)動能力來給晶體管柵極充電和放電。

逆變器死區(qū)時間

功率晶體管有一個有限的開關(guān)時間，因此，上橋和下橋晶體管之間的脈寬調(diào)制波形中非得插入一個死區(qū)時間，如圖4所示。這是為了戒備兩個晶體管意外同時接通，引起高壓直流母線短路，進(jìn)而造成系統(tǒng)故障和/或損壞風(fēng)險。死區(qū)時間的長度由兩個因素決定：晶體管開關(guān)時間和柵極驅(qū)動器傳輸延遲失配(包括失配的任何漂移)。換言之，死區(qū)時間非得考慮PWM信號從解決器到上橋和下橋柵極驅(qū)動器之間的晶體管柵極的任何傳輸時間差異。

圖4.死區(qū)時間插補(bǔ)

死區(qū)時間會影響施加到電機(jī)的均勻電壓，尤其是在低速運轉(zhuǎn)時。實際上，死區(qū)時間會帶來以下近似恒定幅度的誤差電壓：

其中，為誤差電壓，為死區(qū)時間，和為晶體管開啟和封閉延遲時間，為PWM開關(guān)周期，為直流母線電壓，為功率晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)壓降，為二極管導(dǎo)通電壓。

當(dāng)一個相電流改變方向時，誤差電壓改變極性，因此，當(dāng)線路電流過零時，電機(jī)線間電壓發(fā)生階躍變化。這會引起正弦基波電壓的諧波，進(jìn)而在電機(jī)中萌生諧波電流。有關(guān)開環(huán)驅(qū)動采用的較大低阻抗電機(jī)，這是一個特別緊要的問題，因為諧波電流可能很大，導(dǎo)致低速振動、扭矩紋波融洽波加熱。

在以下條件下，死區(qū)時間對電機(jī)輸出電壓失真的影響最嚴(yán)重：

高直流母線電壓長死區(qū)時間高開關(guān)頻率低速工作，特別是在控制算法未添加任何補(bǔ)償?shù)拈_環(huán)驅(qū)動中

低速工作很緊要，因為正是在這種模式下，施加的電機(jī)電壓在任何情況下都非常低，死區(qū)時間導(dǎo)致的誤差電壓可能是所施加電機(jī)電壓的很大一部分。此外，誤差電壓導(dǎo)致的扭曲抖動的影響更加有害，因為對系統(tǒng)慣性的濾波惟有在較高速度下才可用。

在所有這些參數(shù)中，死區(qū)時間長度是唯一受隔離式柵極驅(qū)動器技術(shù)影響的參數(shù)。死區(qū)時間長度的一部分是由功率晶體管的開關(guān)延遲時間決定的，但其余部分與傳播延遲失配有關(guān)。在這方面，光隔離器顯然不如磁隔離技術(shù)。

使用示例

為了說明死區(qū)時間對電機(jī)電流失真的影響，下面給出了基于三相逆變的開環(huán)電機(jī)驅(qū)動的結(jié)果。逆變器柵極驅(qū)動器采用ADI公司的磁隔離器(ADuM4223ADuM4223)，筆直驅(qū)動IR的IRG7PH46UDPbF1200VIGbT。直流母線電壓為700V。逆變器驅(qū)動開環(huán)V/f控制模式下的三相感應(yīng)電機(jī)。利用阻性分壓器和分流電阻，并結(jié)合隔離式sum?調(diào)制器(同樣是來自ADI公司的AD7403)，分別測量線電壓和相電流。各調(diào)制器輸出的單位數(shù)據(jù)流被送至控制解決器(ADI公司的ADSP-CM408)的sinc濾波器，數(shù)據(jù)在其中進(jìn)行濾波和抽取后，萌生電壓和電流信號的精確表示。

sinc數(shù)字濾波器輸出的線電壓實測結(jié)果如圖5所示。實際線電壓為10kHz的高開關(guān)頻率波形，但它被數(shù)字濾波器濾除，以便顯示我們感興致的低頻部分。相應(yīng)的電機(jī)相電流如圖6所示。

圖5.實測線間電機(jī)電壓：(左)500ns死區(qū)時間；(右)1s死區(qū)時間

圖6.實測電機(jī)電流：(左)500ns死區(qū)時間；(右)1s死區(qū)時間

ADuM4223柵極驅(qū)動器的傳輸延遲失配為12ns，因此可以使用IGbT開關(guān)所需的絕對最短死區(qū)時間。有關(guān)IRIGbT，最短死區(qū)時間可設(shè)置為500ns。從左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。右圖顯示死區(qū)時間提高到1s時的線電壓和相電流。此值更能代表光耦合柵極驅(qū)動器的需求，因為其傳播延遲失配和漂移更大。電壓和電流的失真均有分明新增。這種情況使用的感應(yīng)電機(jī)是相對較小的高阻抗電機(jī)。在更高功率的終端使用中，感應(yīng)電機(jī)阻抗通常要低得多，導(dǎo)致電機(jī)電流失真和扭矩紋波新增。扭矩紋波在很多使用中都會萌生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機(jī)械系統(tǒng)中的軸承/聯(lián)軸器磨損。

過流關(guān)斷

現(xiàn)代柵極驅(qū)動器的另一個緊要問題是解決器發(fā)出的關(guān)斷命令能以多快的速度在IGbT上實現(xiàn)。這有關(guān)以下情況中的過流關(guān)斷很緊要：過流測試不是柵極驅(qū)動器本身的一部分，而是作為測試與濾波電路的一部分加以實現(xiàn)。這方面的另一個壓力是更高效率IGbT的短路耐受時間縮短。對此，IGbT技術(shù)的趨勢是從業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)10s縮短到5s甚至更短。如圖7所示，過流測試電路通常要數(shù)微秒時間來鎖存故障；為了順應(yīng)總體發(fā)展趨勢，非得采取措施來縮短這一測試時間。該路徑中的另一緊要因素是從解決器/FPGA輸出到IGbT柵極(柵極驅(qū)動器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相有關(guān)光學(xué)器件有分明優(yōu)點，原由是前者的傳播延遲值非常小，通常在50ns左右，不再是影響因素。相比之下，光耦合器的傳播延遲在500ns左右，占到總時序預(yù)算的很大一部分。

圖7.故障關(guān)斷時序

電機(jī)控制使用的柵極驅(qū)動器關(guān)斷時序如圖8所示，其中解決器的關(guān)斷命令跟在IGbT柵極發(fā)射極信號之后。從關(guān)斷信號開始到IGbT柵極驅(qū)動信號接近0的總延遲僅有72ns。

圖8.過流關(guān)斷柵極驅(qū)動器時序

小結(jié)

隨著人們更加關(guān)注系統(tǒng)性能、效率和安全，電機(jī)控制架構(gòu)師在設(shè)計穩(wěn)健系統(tǒng)時面對著日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)。基于光耦合器的柵極驅(qū)動器是傳統(tǒng)選擇，但基于變壓器的處理方法不僅在功耗、速度、時間穩(wěn)定性上更具優(yōu)點，而且如本文所述，由于信號延遲縮短，其在系統(tǒng)性能和安全方面也有分明優(yōu)點。這使得設(shè)計人員可以在戒備上橋和下橋開關(guān)同時接通的同時，有把握地縮短死區(qū)時間，改善系統(tǒng)性能。此外，它還支持對系統(tǒng)命令和錯誤作出更快速的應(yīng)和，這同樣能加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并提高安全性。鑒于這些優(yōu)點，基于變壓器的隔離式柵極驅(qū)動器已成為電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計的一個緊要選擇；強(qiáng)烈提議系統(tǒng)設(shè)計人員在設(shè)計下一個項目時，把器件延遲作為一項緊要要求。