電容隔離如何解決交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

但并非所有隔離技術(shù)都能滿(mǎn)足所有需求，尤其是在器件壽命和溫度性能方面。

為解決交流（AC）電機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，本白皮書(shū)對(duì)比了德州儀器（TI）的基于電容的隔離技術(shù)和傳統(tǒng)的隔離技術(shù)，包括隔離柵極驅(qū)動(dòng)器在功率級(jí)、隔離電壓、電流反饋或控制模塊中隔離式數(shù)字輸入。

什么是交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)？

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一種使用交流電輸入的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如圖1所示，它可以驅(qū)動(dòng)大型工業(yè)負(fù)載，例如加熱、通風(fēng)、商業(yè)樓宇的空調(diào)、泵和壓縮機(jī)的運(yùn)行。交流電機(jī)也能驅(qū)動(dòng)需要調(diào)節(jié)速度的工廠(chǎng)自動(dòng)化和工業(yè)器件負(fù)載，例如傳送帶或隧道掘進(jìn)、采礦和造紙?jiān)O(shè)備。

工廠(chǎng)中帶有交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)電機(jī)

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用交流能量，將其整流為直流母線(xiàn)電壓，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，然后基于負(fù)載需求通過(guò)復(fù)雜的控制算法將直流電轉(zhuǎn)換回交流電。

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的隔離

諸如交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)之類(lèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含高電壓和高功率等級(jí)；因此，必須采取措施保護(hù)操作人員和整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。

此外，也需要保護(hù)關(guān)鍵系統(tǒng)組件（例如控制器和通信外圍器件）免受電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的大功率和高壓電路的影響。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)61800－5－1安全標(biāo)準(zhǔn)的定義，可通過(guò)半導(dǎo)體集成電路（IC）在組件級(jí)進(jìn)行隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)電路之間的絕緣。

隔離ICs可在高壓和低壓?jiǎn)卧g傳輸數(shù)據(jù)和功率，同時(shí)可防止任何危險(xiǎn)的直流電或不受控制的瞬態(tài)電流。通常來(lái)講，隔離器通過(guò)隔離柵在電路內(nèi)提供所需的絕緣等級(jí)。隔離柵將高壓與人可接觸的零件分開(kāi)。

在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)隔離

設(shè)計(jì)人員在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)隔離隔柵時(shí)有多種選擇，但過(guò)去40年來(lái)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電流隔離的最常用器件一直是光耦合器，也稱(chēng)為光隔離器或光電耦合器。盡管光耦合器具有成本效益且普遍存在，但其無(wú)法提供與最新隔離方法同等水平的溫度性能或器件壽命。

TI的電容隔離技術(shù)在將二氧化硅（基礎(chǔ)片上絕緣）用作電介質(zhì)的電容電路中集成了增強(qiáng)的信號(hào)隔離功能。與光耦合器不同，其可將隔離電路與其他電路集成在同一芯片上。通過(guò)此工藝制造的隔離器具有可靠性、防震性和增強(qiáng)的隔離性，相當(dāng)于單個(gè)封裝中的兩個(gè)基本隔離等級(jí)。

以下各部分探討了交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中與隔離相關(guān)的三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，同時(shí)還重點(diǎn)介紹了電容隔離相較于光耦合器的優(yōu)勢(shì)。

隔離功率級(jí)中的柵極驅(qū)動(dòng)器

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率級(jí)中使用的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)涫怯糜趥鬏斍咧琳淄叻秶鷥?nèi)功率的三相逆變器拓?fù)?。這些逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源。典型的直流總線(xiàn)電壓為600 V－1，200V。該三相逆變器使用六個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)（通常是一組絕緣柵門(mén)極晶體管［IGBTs］或IGBT模塊）。由于其卓越的性能，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始使用寬帶隙器件，例如碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFETs）或模塊。

每個(gè)相都使用通常處在20kHz至30kHz范圍內(nèi)工作的高側(cè)和低側(cè)IGBT開(kāi)關(guān)，以交替模式向電機(jī)繞組施加正負(fù)高壓直流脈沖。每個(gè)IGBT或SiC模塊均由單個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。柵極驅(qū)動(dòng)器的高壓輸出與來(lái)自控制器的低壓控制輸入之間的隔離是產(chǎn)生電流的。柵極驅(qū)動(dòng)器將來(lái)自控制器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）或IGBTs的柵極脈沖。此外，這些柵極驅(qū)動(dòng)器需要具有集成的保護(hù)功能，例如去飽和作用、有源米勒鉗位和軟關(guān)斷。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)器具有兩側(cè)：初級(jí)側(cè)（即輸入級(jí)）和次級(jí)側(cè)（與FET連接）。初級(jí)側(cè)有兩種類(lèi)型的輸入級(jí)：基于電壓和基于電流的輸入級(jí)。通過(guò)輸入級(jí)，柵極驅(qū)動(dòng)器可以連接到能夠告知柵極驅(qū)動(dòng)器在指定時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉的控制器。

使用基于電流的輸入級(jí)的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器通常在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)IGBTs?；陔娏鞯妮斎爰?jí)往往具有較好的抗噪能力，因此需要在控制器和光耦合器之間設(shè)置一個(gè)緩沖級(jí)。使用緩沖級(jí)的基于電流的輸入級(jí)驅(qū)動(dòng)器的功耗通常也會(huì)更高。

傳統(tǒng)光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器確實(shí)存在著一些挑戰(zhàn)

輸入級(jí)中的LED的性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，這會(huì)影響器件壽命，并可能導(dǎo)致傳播延遲時(shí)間增長(zhǎng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。

它們較低的共模瞬變抗擾度（CMTI）限制了功率FETs的切換速度。

它們通常僅支持較低的工作溫度范圍，因此很難創(chuàng)造出更緊湊的設(shè)計(jì)。

TI提供了使用電容隔離技術(shù)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器，以幫助克服光耦合器中一些常見(jiàn)的設(shè)計(jì)難題。

圖3對(duì)比了傳統(tǒng)的光耦合器柵極驅(qū)動(dòng)器與TI使用電容隔離的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。TI的電容隔離柵極驅(qū)動(dòng)器具有更高的CMTI額定值、更寬的工作溫度范圍以及改進(jìn)的計(jì)時(shí)規(guī)范，例如，部件到部件的偏斜和傳播延遲。

光耦隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（a）和電容隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（b）的對(duì)比

隔離電流和電壓反饋

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用由電壓和電流反饋測(cè)量值組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制交流電機(jī)的速度和扭矩。由于電壓和電流反饋需在高壓側(cè)測(cè)量，因此信號(hào)必須與低壓控制器側(cè)隔離。

在電機(jī)的三相中的每相上測(cè)得的同軸相電流用于導(dǎo)出控制IGBTs的最佳PWM模式。這些同軸相電流測(cè)量的準(zhǔn)確性、噪聲、帶寬、延遲和CMTI直接影響電機(jī)的扭矩和速度輸出曲線(xiàn)。

如圖4所示，電容耦合隔離式放大器和調(diào)制器和光耦合同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有更少的信號(hào)傳播延遲、更佳的CMTI以及更長(zhǎng)的壽命和可靠性。應(yīng)用指南“在HEV／EV中比較基于分流和霍爾的隔離電流感應(yīng)解決方案”詳細(xì)比較了基于分流和基于霍爾的電流感應(yīng)方法之間的隔離等級(jí)、精度、溫度范圍、帶寬和噪聲等方面。

圖5所示為使用隔離式放大器進(jìn)行基于分流的電流感應(yīng)和基于電阻分壓器的電壓感應(yīng)的反饋感應(yīng)環(huán)路的典型框圖。通過(guò)分流電阻器RSHUNT來(lái)完成對(duì)相電流的測(cè)量。

隔離式放大器的示例（a）；和隔離式調(diào)制器（b）

與光耦合器相比，TI的隔離式放大器支持極小的雙向輸入電壓范圍，具有很高的CMTI和整體精度。這些功能可在高噪聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠的電流感應(yīng)。這些器件的高阻抗輸入和寬輸入電壓范圍使其極其適用于直流母線(xiàn)總線(xiàn)電壓感應(yīng)。

在控制模塊中隔離數(shù)字輸入

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的控制模塊基于位置反饋模塊的輸入、模擬輸入和數(shù)字輸入，負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)處理和總體控制算法。這些數(shù)字輸入通常是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器和開(kāi)關(guān)的24 V信號(hào)，可傳達(dá)緊急停止信號(hào)（例如安全扭矩關(guān)閉（STO））或有關(guān)電機(jī)運(yùn)行的信息（例如速度和位置）。

與控制算法一同使用時(shí)，這些數(shù)字信號(hào)輸入將對(duì)功率級(jí)進(jìn)行任何必要調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出。將控制模塊與數(shù)字輸入隔離可防止接地電位差引起通信錯(cuò)誤。

盡管光耦合器已用于隔離數(shù)字輸入，但是數(shù)字隔離器技術(shù)的最新發(fā)展徹底革新了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)數(shù)字輸入的方式。

圖6所示為用于隔離數(shù)字輸入的光耦合器常見(jiàn)解決方案。該解決方案使用數(shù)個(gè)分立元件（9至15個(gè)）來(lái)實(shí)現(xiàn)電流限值和受控電壓閾值。

使用這種復(fù)雜的解決方案，電流限值可以遠(yuǎn)高于2 mA的目標(biāo)電流限值，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可能高達(dá)6 mA（具體取決于設(shè)計(jì)）。此外，光耦合器之后的施密特觸發(fā)器緩沖器還為抗噪提供了滯后功能。圖7所示為一種簡(jiǎn)化的解決方案，一種專(zhuān)用于數(shù)字輸入應(yīng)用的專(zhuān)用數(shù)字隔離器。采用TI電容性隔離技術(shù)的器件可實(shí)現(xiàn)＜2．5 mA的電流限值。該解決方案無(wú)需施密特觸發(fā)器來(lái)抗噪，僅需兩個(gè)電阻（RSENSE和RTHR）來(lái)設(shè)置所選的電流限值和電壓閾值。

使用TI數(shù)字隔離器的隔離數(shù)字輸入解決方案

與光耦合器相比，基于電容的數(shù)字隔離方法的優(yōu)勢(shì)在于其具有更低的功耗。TI的數(shù)字隔離器的精確電流限值可將數(shù)字輸入所引電流減少五分之一，從而大大降低了功耗和電路板溫度。其他功能包括具有通道間隔離功能的雙通道選件，可幫助減少電路板空間，同時(shí)還提供低傳播延遲和4 Mbps數(shù)據(jù)速率，以支持STO輸入。

用光耦合器支持STO輸入需要高速光耦合器。與基于電容的數(shù)字隔離技術(shù)相比，這種光耦合器價(jià)格昂貴且使用壽命較短。應(yīng)用指南“如何提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)隔離輸入的速度和可靠性中提供了更多有關(guān)TI隔離數(shù)字輸入在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的優(yōu)點(diǎn)的詳細(xì)信息。 ”

總結(jié)

無(wú)論您正在隔離功率級(jí)中的柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離電壓或電流反饋，還是隔離控制模塊中的數(shù)字輸入，TI的基于電容的隔離技術(shù)都徹底革新了交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命