数字隔离器在工业电机驱动应用中的优势

简介

工业电机驱动中使用的电子控制必须能在恶劣的电气环境中提供较高的系统性能。电源电路会在电机绕组上导致电压沿激增现象，而这些电压沿则可以电容耦合进低电压电路之中。电源电路中，电源开关和寄生元件的非理想行为也会产生感性耦合噪声。控制电路与电机和传感器之间的长电缆形成多种路径，可将噪声耦合到控制反馈信号中。高性能驱动器需要必须与高噪声电源电路隔离开的高保真反馈控制和信号。在典型的驱动系统中，包括隔离栅极驱动信号，以便将逆变器、电流和位置反馈信号驱动到电机控制器，以及隔离各子系统之间的通信信号。实现信号隔离时，不得牺牲信号路径的带宽，也不得显著增加系统成本。光耦合器是跨越隔离栅实现安全隔离的传统方法。尽管光耦合器已使用数十年，其不足也会影响系统级性能。

变速电机驱动器在工业应用中的广泛使用要归功于高效电源开关和具有成本优势的电子控制电路。设计上的困难则是用低压控制电路耦合高功率开关电路，而不牺牲抗噪性能或开关速度。


图1. 包括寄生元件的逆变器电路。

现代开关逆变器的效率一般超过95%，所用功率晶体管开关还可连接高压直流轨高轨与低轨之间的电机绕组。这一过程可以减少逆变器的损耗，因为功率晶体管工作于完全饱和模式下，而该模式会降低传导时的压降和功率损耗。开关过程中还存在额外的功率晶体管损耗，因为在此期间，晶体管上有一较大的电压，与此同时，负载电流在高、低功率设备之间进行切换。功率半导体公司设计出IGBT之类开关时间较短的晶体管，以减少这种开关功率损耗。然而，这种较高的开关速度也会带来一些无用的副作用，比如开关噪声增加。

在驱动器控制端，VLSI工艺的持续进步改善了混合信号控制电路的成本和性能，为高级数字控制算法的广泛应用以及交流电机效率的提高创造了条件。提升性能付出的代价是IC工作电压从12 V至5 V降低至现在的3.3 V，结果提高了对噪声的灵敏度。这种传统的噪声过滤方法通常不太适用，因为往往需要维持驱动系统的带宽，而带宽一般都是一个关键的性能参数。

电机驱动逆变器环境

三相逆变器是一种功率电子开关电路，控制功率从直流供电轨到三个交流电机绕组的流动。逆变器有三条相同的腿，每条腿包括两个IGBT晶体管和两个二极管，如图1所示。每个电机绕组均连接至通过分流器连接高端晶体管和低端晶体管的同一节点。逆变器使电机绕组在直流总线的高压轨和低压轨之间切换，以控制平均电压。绕组具有极高的电感性，将阻挡电流的变化，因此，当功率晶体管关闭时，电流将开始在连接至相反电源轨的二极管中流动。这样，即使逆变器功率设备和直流链路电容中存在断续传导，也会有电流连续流到电机绕组中。电机绕组阻抗充当来自逆变器的高压脉冲宽度调制方波输出电压的低通滤波器。

将低压控制电流连接至逆变器时存在巨大的困难。一个基本问题是，高端晶体管发射器节点在高压总线高供电轨与低供电轨之间切换。首先，高端驱动器必须能够驱动相对于一个发射器(可能比共用输入信号高300 V或以上)的栅极信号。其次，通过分流器(vsh)的电机电流信号必须从300 V或以上的共模电压中提取出来。其他问题将由电源电路中的寄生元件导致。当功率晶体管或二极管的开关频率超过1 A/ns时，即使是10 nH的PCB走线电感也可能导致显著的电压(>10 V)。寄生电感和部件电感会导致振铃，结果使设备开关产生的噪声脉冲的持续时间变长。甚至电机电缆的高频阻抗也可能带来问题，因为出于安全考虑，配电板可能离电机很远。其他效应包括噪声从电机耦合到反馈传感器信号中，其原因是快速切换的绕组电压波形。问题将变得更加严重，因为驱动电路的功率额定值将增加电路板的物理尺寸，结果将进一步增加寄生电感，甚至提高电流和电压开关速率。通过隔离控制和电源电路消除噪声耦合现象，是应对这一问题的主要工具之一。隔离电路的性能是决定驱动性能的一个关键因素。在转轴转动时，转轴位置编码器将产生频率为100 kHz或以上的数字脉冲流。然而，在许多情况下，编码器上安装的电路会提高设备的精度，并使数据速率增加到10 Mbps以上。另外，跨越分流器的反馈信号也可以隔离，方法是先把数据转换成数字位流，然后把该位流与低功耗电路隔离开来。这种情况下，数据速率为10 Mbps至20 Mbps。

栅极驱动电路所需要的开关性能似乎并不高，因为电机驱动逆变器的开关速率很少超过20 kHz。然而，需要在高端设备和低端设备的开关信号之间插入一个死区，以防止发生直通。死区为功率开关的开启和关闭延迟以及隔离电路所致延迟的不确定性的函数。死区延长会给逆变器传递函数带来更多非线性，结果将产生无用的电流谐波，并可能降低驱动效率。

因此，跨越电源电路和控制电路之间的隔离栅发送数据的方法不得在开关过程中带来时序的不确定性，并须具备较强的抗噪能力。