工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的柵極驅(qū)動(dòng)和電流反饋信號(hào)隔離

時(shí)間:2019-04-20 08:38:52來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 作者:電子愛(ài)好者點(diǎn)擊:次

二十多年來(lái)，電動(dòng)機(jī)能效一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。這是通過(guò)提高電力使用效率和使用可再生能源轉(zhuǎn)換一些能源來(lái)實(shí)現(xiàn)最大限度減少碳排放的全球努力的一部分。早期的運(yùn)動(dòng)效率法規(guī)是自愿的，但很快，這些法規(guī)成為強(qiáng)制性要求，最低效率水平每五到十年增加一次。鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（SQIM）自電力普及以來(lái)一直是業(yè)界的主力，因?yàn)樗梢栽谥苯舆B接到三相交流電源時(shí)啟動(dòng)和運(yùn)行。當(dāng)前的IEC標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)額定功率對(duì)這些電機(jī)的效率進(jìn)行了分類，其范圍從標(biāo)準(zhǔn)效率（IE1）到超高效率（IE4）。今天，IE3的高效率水平在世界上最大的工業(yè)區(qū)域（包括歐盟，美國(guó)，中國(guó)和日本）是強(qiáng)制性的。工廠運(yùn)營(yíng)商并沒(méi)有抵制這種變化，因?yàn)殡姍C(jī)的資本成本只是電機(jī)壽命期間電力成本的一小部分。即使在更換具有15kW超高效率IE4電機(jī)的高效電機(jī)的情況下，也可以在兩年內(nèi)節(jié)省額外成本。電機(jī)效率要求的這種趨勢(shì)已經(jīng)使許多設(shè)備制造商從直接離線電機(jī)轉(zhuǎn)向基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種體系結(jié)構(gòu)，以及它們的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)隔離要求是本文討論的主題。

到目前為止，SQIM制造商已將更嚴(yán)格的效率法規(guī)視為市場(chǎng)機(jī)遇。與標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)相比，高級(jí)和超高效電機(jī)在材料，設(shè)計(jì)和制造方面的成本更高，但它們的市場(chǎng)價(jià)格更高。然而，新的IEC效率分級(jí)IE5和IE6的開(kāi)發(fā)將給電機(jī)制造商帶來(lái)問(wèn)題。電機(jī)專家認(rèn)為，設(shè)計(jì)線路連接SQIM以達(dá)到高于IE4的效率水平將是非常困難和昂貴的，特別是在較低功率范圍內(nèi)（de Almeida）。最有可能的是，只有逆變器連接的電機(jī)才能滿足IE5和更高的效率水平。永磁同步電機(jī)（PMSM）傳統(tǒng)上被選用于超高效應(yīng)用，但是稀土轉(zhuǎn)子磁鐵的成本和可用性是一個(gè)問(wèn)題。使用鐵氧體磁鐵或?yàn)橹С植粩嘣鲩L(zhǎng)的電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的新磁性材料的新型軸向電機(jī)設(shè)計(jì)可以緩解這些問(wèn)題。IE5效率等級(jí)驅(qū)動(dòng)器（ABB）也正在認(rèn)真考慮同步磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）。SRM既沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組也沒(méi)有磁鐵，與同等額定功率的等效SQIM相比，它以更低的成本和框架尺寸支持高效率。

逆變器和隔離

這種更高效電機(jī)的趨勢(shì)正在增加對(duì)基于IGBT的變頻器的需求，該變頻器將整流的電源輸入轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可變頻率電壓。變頻器控制的電機(jī)具有與軸負(fù)載最佳匹配的輸出扭矩或速度，以最小化能量消耗，降低電機(jī)運(yùn)行溫度并提高電機(jī)可靠性。增加的價(jià)值控制功能，如狀態(tài)監(jiān)測(cè)，電能計(jì)量和工廠網(wǎng)絡(luò)連接，可提高過(guò)程效率和可靠性。隔離技術(shù)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，因?yàn)樗梢园踩貙⒖刂破饔脩艚缑媾c連接到逆變器的危險(xiǎn)高壓隔離開(kāi)來(lái)。

幾個(gè)高級(jí)別因素會(huì)影響給定驅(qū)動(dòng)器中的隔離要求和架構(gòu); 這些包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器性能水平，通信接口的復(fù)雜性，控制器架構(gòu)以及系統(tǒng)中遇到的電壓水平，如圖1所示。

在許多情況下，關(guān)鍵隔離節(jié)點(diǎn)是柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)相電流感測(cè)電路。兩個(gè)位置都涉及以切換的高電壓電平為參考的受控或測(cè)量信號(hào)，并且必須至少包括某種形式的電平移位，并且在許多情況下包括隔離（功能或安全）以便應(yīng)用或提取接地參考信號(hào)。

這在圖2的概念示意圖中示出，其描繪了單個(gè)逆變器相臂，其中指示了高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和相電流分流測(cè)量信號(hào)的電平移位和電位信號(hào)隔離要求。

隔離門(mén)驅(qū)動(dòng)器

從圖2中還可以看出隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的基本要求。這些要求包括邏輯電平開(kāi)關(guān)信號(hào)的功能或安全隔離，以及能夠驅(qū)動(dòng)IGBT柵極電壓超過(guò)導(dǎo)通和關(guān)閉閾值的輸出驅(qū)動(dòng)器。在所需的時(shí)刻切換IGBT，最大限度地減少器件導(dǎo)通損耗，開(kāi)關(guān)損耗和EMI產(chǎn)生。在三相逆變器中，IGBT被反相控制，使得高側(cè)和低側(cè)IGBT永遠(yuǎn)不會(huì)在一起，即使在短時(shí)間內(nèi)也是如此。這需要在高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)之間插入一個(gè)小的死區(qū)時(shí)間。在系統(tǒng)性能和IGBT保護(hù)（O'Sullivan）的背景下，最小化這個(gè)死區(qū)時(shí)間至關(guān)重要。

IGBT導(dǎo)通需要將IGBT驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)域，在此處導(dǎo)通損耗將最小化。這通常意味著導(dǎo)通電壓> 12 V. IGBT關(guān)斷需要將IGBT驅(qū)動(dòng)到工作的截止區(qū)域，這樣一旦高端IGBT導(dǎo)通，它就能成功阻斷其上的反向高壓。原則上，這可以通過(guò)將IGBT柵極發(fā)射極電壓降低到0V來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)高側(cè)晶體管導(dǎo)通時(shí)必須考慮次要影響。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速轉(zhuǎn)換導(dǎo)致瞬態(tài)感應(yīng)電流流入低側(cè)IGBT寄生米勒電容（圖3中的C _GD）。該電流流過(guò)低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（Z _DRIVER）的關(guān)斷阻抗如圖3所示，在低端IGBT柵極發(fā)射極端子處產(chǎn)生瞬態(tài)電壓反彈，如圖所示。如果此電壓超過(guò)IGBT閾值電壓V _TH，則可能導(dǎo)致低側(cè)IGBT短暫導(dǎo)通，導(dǎo)致逆變器支路瞬間射穿，增加功耗并降低可靠性。

通常有兩種方法來(lái)解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通 - 使用雙極電源和/或增加米勒鉗位。在柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離側(cè)接受雙極電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，-7.5 V的負(fù)電源軌意味著通常需要> 8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變來(lái)引起虛假導(dǎo)通。這通常足以防止虛假開(kāi)啟。一種互補(bǔ)的方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換之后的一段時(shí)間內(nèi)減小柵極驅(qū)動(dòng)器電路的關(guān)斷阻抗。這被稱為米勒鉗位電路。電容電流現(xiàn)在流入較低阻抗電路，從而降低了電壓瞬變的幅度。通過(guò)利用非對(duì)稱柵極電阻器來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷，可以提供控制開(kāi)關(guān)速率的額外靈活性。所有這些柵極驅(qū)動(dòng)器功能都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和效率產(chǎn)生積極影響。

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的過(guò)電流保護(hù)通常在幾個(gè)級(jí)別上實(shí)現(xiàn)。持續(xù)過(guò)電流和瞬態(tài)過(guò)電流之間的區(qū)別可以包括在驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案中，并且這些過(guò)電流事件具有不同的跳閘水平和時(shí)間常數(shù)。這種過(guò)流保護(hù)通常基于電流測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于非常快速且可能發(fā)生災(zāi)難性的過(guò)流事件，例如逆變器輸出上的短路，在柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)集成快速動(dòng)作保護(hù)機(jī)制可能是有利的。通過(guò)在IGBT導(dǎo)通時(shí)監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)去飽和保護(hù)。當(dāng)IGBT飽和時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)電壓是IGBT內(nèi)電流水平的函數(shù)，并且該保護(hù)功能可以設(shè)計(jì)為觸發(fā)故障并且一旦導(dǎo)通狀態(tài)電壓增加超過(guò)可接受的水平就快速關(guān)斷IGBT。存在短消隱時(shí)間，在此期間保護(hù)電路不監(jiān)視IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。這包括在開(kāi)啟事件期間由于集電極發(fā)射極電壓轉(zhuǎn)換和/或瞬態(tài)過(guò)電流而在開(kāi)啟時(shí)防止誤觸發(fā)。

該ADUM4135ADI公司的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器具有雙極性電源，米勒鉗位和非對(duì)稱導(dǎo)通和關(guān)斷輸出。此外，傳播延遲以及更重要的傳播延遲偏差分別是業(yè)界領(lǐng)先的50 ns和15 ns的典型值。減少死區(qū)時(shí)間的系統(tǒng)影響如圖4所示，其中描述了兩個(gè)不同死區(qū)時(shí)間的逆變器輸出線到低電機(jī)速度的線電壓。與光耦合器技術(shù)相關(guān)的死區(qū)時(shí)間要求增加導(dǎo)致電機(jī)電壓和電流失真增加。這降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)增加的性能，以及由于增加的諧波損耗而降低的效率。這些失真效應(yīng)在逆變器應(yīng)用中尤為明顯，

圖4.在（a）500 ns死區(qū)時(shí)間（b）1μs死區(qū)時(shí)間測(cè)得的線電機(jī)電壓。

隔離電流感

電機(jī)相電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)連接到與柵極驅(qū)動(dòng)器輸出相同的電路節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，用于基于分流的測(cè)量。因此，它們經(jīng)歷相同的隔離電壓和開(kāi)關(guān)瞬變。相電流檢測(cè)對(duì)于高性能閉環(huán)電機(jī)控制至關(guān)重要，在這種惡劣的電噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)量并非易事。在高功率系統(tǒng)中，使用隔離電流傳感器，如電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器，其中隔離是固有的，而在低功率系統(tǒng)中，趨勢(shì)是使用具有隔離Σ-Δ調(diào)制器的分流電阻，如AD7403來(lái)自ADI公司。前面的系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動(dòng)器功能來(lái)實(shí)現(xiàn)所概述的短路過(guò)電流保護(hù)，而后一種基于調(diào)制器的隔離電流感測(cè)方案可以通過(guò)快速粗略的數(shù)字濾波器（O'Byrne）直接實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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電機(jī)控制

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光耦驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用方案
光耦驅(qū)動(dòng)芯片HCPL-316J是Agilent公司［編者注：2014年8月更名為keysight（是德）公司］生產(chǎn)的柵極驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)品之一，可用于驅(qū)動(dòng)150A/1200V的IGBT，開(kāi)關(guān)速度為0.5？s，有過(guò)流
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A4931的替代芯片---BLDC三相無(wú)刷預(yù)驅(qū)動(dòng)--GC4931
GC4931F/S 是一款三相無(wú)刷直流電機(jī)預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片。芯片可以驅(qū)動(dòng)N型功率MOSFET，最高電源到 36V。芯片狀態(tài)切換邏輯受三個(gè)相位差為 120°的霍爾輸入確定。兼容替代A4931,MS4931芯片集成固定衰減時(shí)間的脈沖調(diào)制來(lái)控制電流并且抑制勵(lì)磁涌流；堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間可調(diào)；過(guò)溫保護(hù)，過(guò)壓監(jiān)測(cè)，同步整流等等。其中內(nèi)置的同步整流器通過(guò)在衰減周期內(nèi)，打開(kāi)合適的低內(nèi)阻的開(kāi)關(guān)管以取代反向續(xù)流二極管來(lái)降低功耗。當(dāng)芯片監(jiān)測(cè)到過(guò)壓時(shí)芯片會(huì)關(guān)斷同步整流以減小變化電流引起的電源電壓波動(dòng)。
GC4931F/S 的邏輯輸入腳有
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直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)GC9110 pin對(duì)pin兼容L9110.
首先看看，GC9110T 是一款 12V 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，為攝像機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、玩具和其他低壓或者電池供電的運(yùn)動(dòng)控制類應(yīng)用提供了集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。芯片一般用了驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)或者使用兩顆來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。GC9110T 是 GC9110（低壓 6V 驅(qū)動(dòng)）的 12V 升級(jí)版本，客戶根據(jù)應(yīng)用電壓與成本
來(lái)選擇芯片。GC9110T 可以工作在 3.8~12V 的電源電壓上，能提供高達(dá) 1.5A 持續(xù)輸出電流或則2.5A 峰值電流，睡眠模式下功耗小于 1uA。GC9110T 具有 PWM（IN/IN
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LV8548雙通道H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片替代料GC8548
GC8548 是一款雙通道 12V 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，為攝像機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、玩具和其他低壓或者電池供電的運(yùn)動(dòng)控制類應(yīng)用提供了集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。芯片一般用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。GC8548 可以工作在 3.8~12V 的電源電壓上，每通道能提供高達(dá) 1.5A 持續(xù)輸出電流或者 2.5A 峰值電流，睡眠模式下功耗小于1uA。GC8548 具有 PWM（IN/IN）輸入接口,與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件兼容，并具有過(guò)溫保護(hù)，欠壓保護(hù)，短路保護(hù)，過(guò)流保護(hù)等功能。GC8548 內(nèi)置 LDO，不需要邏輯電源
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GC9110T完全替代L9110 1.5A玩具單通道12V直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)
首先看看，GC9110T 是一款 12V 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，為攝像機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、玩具和其他低壓或者電池供電的運(yùn)動(dòng)控制類應(yīng)用提供了集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案。芯片一般用了驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)或者使用兩顆來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。GC9110T 是 GC9110（低壓 6V 驅(qū)動(dòng)）的 12V 升級(jí)版本，客戶根據(jù)應(yīng)用電壓與成本
來(lái)選擇芯片。GC9110T 可以工作在 3.8~12V 的電源電壓上，能提供高達(dá) 1.5A 持續(xù)輸出電流或則2.5A 峰值電流，睡眠模式下功耗小于 1uA。GC9110T 具有 PWM（IN/IN
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