“电竞竞猜”电容隔离如何解决交流电机驱动中的关键挑战
点击量: 发布时间:2021-10-01
本文摘要:信号和电源隔绝有助保证交流电机驱动系统的平稳运营,并维护操作者人员免遭高压危险性。

信号和电源隔绝有助保证交流电机驱动系统的平稳运营,并维护操作者人员免遭高压危险性。但并非所有隔绝技术都能符合所有市场需求,特别是在是在器件寿命和温度性能方面。为解决问题交流(AC)电机设计挑战,本白皮书对比了德州仪器(TI)的基于电容的隔绝技术和传统的隔绝技术,还包括隔绝栅极驱动器在功率级、隔绝电压、电流对系统或掌控模块中隔绝式数字输出。

什么是交流电机驱动系统?交流电机驱动是一种用于交流电输出的感应器电动机,如图1右图,它可以驱动大型工业阻抗,例如冷却、通风、商业楼宇的空调、泵和压缩机的运营。交流电机也能驱动必须调节速度的工厂自动化和工业器件阻抗,例如传送带或隧道盾构机、矿业和纺织设备。

工厂中具有交流电机驱动的感应器电机交流电机驱动使用交流能量,将其整流为直流母线电压,构建简单的控制算法,然后基于阻抗市场需求通过简单的控制算法将直流电切换返交流电。交流电机驱动中的隔绝诸如交流电机驱动之类的电机驱动系统包括低电压和高功率等级;因此,必需采取措施维护操作者人员和整个系统的关键组件。此外,也必须维护关键系统组件(例如控制器和通信外围器件)免遭电机驱动中的大功率和高压电路的影响。根据国际电工委员会61800-5-1安全性标准的定义,可通过半导体集成电路(IC)在组件级展开隔绝来构建电路之间的绝缘。

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隔绝ICs可在高压和高压单元之间传输数据和功率,同时可避免任何危险性的直流电或受掌控的瞬态电流。一般来说来讲,隔离器通过隔绝栅在电路内获取所需的绝缘等级。隔绝栅将高压与人可认识的零件分离。

在交流电机驱动中构建隔绝设计人员在交流电机驱动中构建隔绝隔栅时有多种自由选择,但过去40年来,在系统中构建电流隔绝的最常用器件仍然是光耦合器,也称作光隔离器或光电耦合器。尽管光耦合器具有成本效益且普遍存在,但其无法获取与近期隔绝方法同等水平的温度性能或器件寿命。TI的电容隔绝技术在将二氧化硅(基础片上绝缘)用于电介质的电容电路中构建了强化的信号隔绝功能。

与光耦合器有所不同,其可将隔绝电路与其他电路构建在同一芯片上。通过此工艺生产的隔离器具备可靠性、防震性和强化的隔绝性,相等于单个PCB中的两个基本隔绝等级。

以下各部分探究了交流电机驱动设计中与隔绝涉及的三个关键设计挑战,同时还重点讲解了电容隔绝相比于光耦合器的优势。隔绝功率级中的栅极驱动器交流电机驱动的功率级中用于的功率转换器流形是用作传输千瓦至兆瓦范围内功率的三相逆变器流形。

这些逆变器将直流电源切换为交流电源。典型的直流总线电压为600V-1,200V。该三相逆变器用于六个隔绝式栅极驱动器来关上和重开电源开关(一般来说是一组绝缘栅门近于晶体管[IGBTs]或IGBT模块)。由于其卓越的性能,设计人员开始用于宽带隙器件,例如碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)或模块。

每个相都用于一般来说处在20kHz至30kHz范围内工作的高侧和较低外侧IGBT电源,以交错模式向电机绕组产生正负高压直流脉冲。每个IGBT或SiC模块皆由单个隔绝式栅极驱动器驱动。栅极驱动器的高压输入与来自控制器的高压掌控输出之间的隔绝是产生电流的。

栅极驱动器将来自控制器的脉冲宽度调制(PWM)信号切换为用作场效应晶体管(FETs)或IGBTs的栅极脉冲。此外,这些栅极驱动器必须具备构建的维护功能,例如去饱和状态起到、有源米勒钳位和软变频器。

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隔绝栅极驱动器具备两侧:初级外侧(即输出级)和次级外侧(与FET相连)。初级外侧有两种类型的输出级:基于电压和基于电流的输出级。通过输出级,栅极驱动器可以相连到需要告诉栅极驱动器在登录时间关上或重开的控制器。

用于基于电流的输出级的光耦合器栅极驱动器一般来说在电机驱动应用于中驱动IGBTs。基于电流的输出级往往具备较好的抗噪能力,因此必须在控制器和光耦合器之间设置一个缓冲器级。

用于缓冲器级的基于电流的输出级驱动器的功耗一般来说也不会更高。传统光耦合器栅极驱动器显然不存在着一些挑战输出级中的LED的性能不会随着时间的流逝而减少,这不会影响器件寿命,并有可能造成传播延迟时间快速增长,进而影响系统性能。它们较低的共模瞬变抗扰度(CMTI)容许了功率FETs的转换速度。

它们一般来说仅有反对较低的工作温度范围,因此很难建构出更灵活的设计。TI获取了用于电容隔绝技术的隔绝栅极驱动器,以协助解决光耦合器中一些少见的设计难题。

图3对比了传统的光耦合器栅极驱动器与TI用于电容隔绝的隔绝栅极驱动器。TI的电容隔绝栅极驱动器具备更高的CMTI额定值、更加长的工作温度范围以及改良的计时规范,例如,部件到部件的斜向和传播延后。光耦隔绝栅极驱动器(a)和电容隔绝栅极驱动器(b)的对比隔绝电流和电压对系统交流电机驱动用于由电压和电流对系统测量值构成的闭环控制系统来掌控交流电机的速度和扭矩。

由于电压和电流对系统需在高压外侧测量,因此信号必需与高压控制器外侧隔绝。在电机的三相中的每相上测出的同轴相电流用作给定掌控IGBTs的最佳PWM模式。

这些同轴相电流测量的准确性、噪声、比特率、延后和CMTI直接影响电机的扭矩和速度输入曲线。如图4右图,电容耦合隔绝式放大器和调制器和光耦合同类产品比起,具备较少的信号传播延后、较佳的CMTI以及更长的寿命和可靠性。

应用于指南“在HEV/EV中较为基于分流和霍尔的隔绝电流感应器解决方案”详尽较为了基于分流和基于霍尔的电流感应器方法之间的隔绝等级、精度、温度范围、比特率和噪声等方面。图5右图为用于隔绝式放大器展开基于分流的电流感应器和基于电阻分压器的电压感应器的对系统感应器环路的典型框图。通过分流电阻器RSHUNT来已完成对相电流的测量。

隔绝式放大器的示例(a);和隔绝式调制器(b)与光耦合器比起,TI的隔绝式放大器反对大于的双向输出电压范围,具备很高的CMTI和整体精度。这些功能可在低噪声电机驱动环境中构建可信的电流感应器。这些器件的高电阻输出和长输出电压范围使其极为限于于直流母线总线电压感应器。在掌控模块中隔绝数字输出交流电机驱动中的掌控模块基于方位对系统模块的输出、仿真输出和数字输出,负责管理电机驱动系统的信号处理和总体控制算法。

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这些数字输出一般来说是来自现场传感器和电源的24V信号,可表达应急暂停信号(例如安全性扭矩重开(STO))或有关电机运营的信息(例如速度和方位)。与控制算法一起用于时,这些数字信号输出将对功率级展开任何适当调整,以实现目标输入。

将掌控模块与数字输出隔绝可避免短路电位差引发通信错误。尽管光耦合器已用作隔绝数字输出,但是数字隔离器技术的近期发展完全革新了系统设计人员设计数字输出的方式。图6右图为用作隔绝数字输出的光耦合器少见解决方案。该解决方案用于数个分立元件(9至15个)来构建电流限值和可控电压阈值。

用于这种简单的解决方案,电流限值可以远高于2mA的目标电流限值,且在整个温度范围内有可能高达6mA(明确各不相同设计)。此外,光耦合器之后的施密特触发器缓冲器还为抗噪获取了迟缓功能。图7右图为一种修改的解决方案,一种专用于数字输出应用于的专用数字隔离器。使用TI电容性隔绝技术的器件可实现<2.5mA的电流限值。

该解决方案需要施密特触发器来抗噪,仅有须要两个电阻(RSENSE和RTHR)来设置选取的电流限值和电压阈值。用于TI数字隔离器的隔绝数字输出解决方案与光耦合器比起,基于电容的数字隔绝方法的优势在于其具备更加较低的功耗。TI的数字隔离器的准确电流限值可将数字输出所谓之电流增加五分之一,从而大大降低了功耗和电路板温度。

其他功能还包括具备地下通道间隔绝功能的双通道选件,可协助增加电路板空间,同时还获取较低传播延后和4Mbps数据速率,以反对STO输出。用光耦合器反对STO输出必须高速光耦合器。与基于电容的数字隔绝技术比起,这种光耦合器价格昂贵且使用寿命较短。应用于指南“如何提升电机驱动隔绝输出的速度和可靠性中获取了更好有关TI隔绝数字输出在电机驱动系统中的优点的详细信息。


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