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电容隔离如何解决交流电机驱动中的关键挑战

旌旗灯号和电源隔离有助于确保交流电机驱动系统的稳定运行,并保护操作职员免受高压危险。

但并非所有隔离技巧都能满意所有需求,尤其是在器件寿命和温度机能方面。

为办理交流(AC)电机设计寻衅,本文比较了德州仪器TI)的基于电容的隔离技巧和传统的隔离技巧,包括隔离栅极驱动器在功率级、隔离电压、电流反馈或节制模块中隔离式数字输入。

什么是交流电机驱动系统?

交流电机驱动是一种应用交流电输入的感应电念头,如图1所示,它可以驱动大年夜型工业负载,例如加热、透风、商业楼宇的空调、泵和压缩机的运行。交流电机也能驱动必要调节速率的工厂自动化和工业器件负载,例如传送带或地道掘进、采矿和造纸设备。

图1.工厂中带有交流电机驱动的感应电机

交流电机驱动采纳交流能量,将其整流为直流母线电压,实现繁杂的节制算法,然后基于负载需求经由过程繁杂的节制算法将直流电转换回交流电。

图2所示为交流电机驱动系统的框图,此中功率级和电源提供标记为绿色。

交流电机驱动中的隔离

诸如交流电机驱动之类的电机驱动系统包孕高电压和高功率等级;是以,必须采取步伐保护操作职员和全部系统的关键组件。

此外,也必要保护关键系统组件(例如节制器和通信外围器件)免受电机驱动中的大年夜功率和高压电路的影响。

根据国际电工委员会61800-5-1安然标准的定义,可经由过程半导体集成电路(IC)在组件级进行隔离来实现电路之间的绝缘。

隔离ICs可在高压和低压单元之间传输数据和功率,同时可防止任何危险的直流电或不受节制的瞬态电流。平日来讲,隔离器经由过程隔离栅在电路内供给所需的绝缘等级。隔离栅将高压与人可打仗的零件分开。

在交流电机驱动中实现隔离

设计职员在交流电机驱动中实现隔离隔栅时有多种选择,但以前40年来,在系统中实现电流隔离的最常用器件不停是光耦合器,也称为光隔离器光电耦合器。只管光耦合用具有资源效益且普遍存在,但其无法供给与最新隔离措施一致水平的温度机能或器件寿命。

TI的电容隔离技巧在将二氧化硅(根基片上绝缘)用作电介质的电容电路中集成了增强的旌旗灯号隔离功能。与光耦合器不合,其可将隔离电路与其他电路集成在同一芯片上。经由过程此工艺制造的隔离用具有靠得住性、防震性和增强的隔离性,相称于单个封装中的两个基础隔离等级。

以下各部分探究了交流电机驱动设计中与隔离相关的三个关键设计寻衅,同时还重点先容了电容隔离相较于光耦合器的上风。

隔离功率级中的栅极驱动器

交流电机驱动的功率级中应用的功率转换器拓扑是用于传输千瓦至兆瓦范围内功率的三相逆变器拓扑。这些逆变器将直流电源转换为交流电源。范例的直流总线电压为600 V-1,200V。该三相逆变器应用六个隔离式栅极驱动器来打开和关闭电源开关(平日是一组绝缘栅门极晶体管IGBTs]或IGBT模块)。因为其卓越的机能,设计职员开始应用宽带隙器件,例如碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)或模块。

每个相都应用平日处在20kHz至30kHz范围内事情的高侧和低侧IGBT开关,以交替模式向电机绕组施加正负高压直流脉冲。每个IGBT或SiC模块均由单个隔离式栅极驱动器驱动。栅极驱动器的高压输出与来自节制器的低压节制输入之间的隔离是孕育发生电流的。栅极驱动器将来自节制器的脉冲宽度调制(PWM)旌旗灯号转换为用于场效应晶体管(FETs)或IGBTs的栅极脉冲。此外,这些栅极驱动器必要具有集成的保护功能,例如去饱和感化、有源米勒钳位和软关断。

隔离栅极驱动用具有两侧:低级侧(即输入级)和次级侧(与FET连接)。低级侧有两种类型的输入级:基于电压和基于电流的输入级。经由过程输入级,栅极驱动器可以连接到能够见告栅极驱动器在指准光阴打开或关闭的节制器。

应用基于电流的输入级的光耦合器栅极驱动器平日在电机驱动利用中驱动IGBTs。基于电流的输入级每每具有较好的抗噪能力,是以必要在节制器和光耦合器之间设置一个缓冲级。应用缓冲级的基于电流的输入级驱动器的功耗平日也会更高。

传统光耦合器栅极驱动器确凿存在着一些寻衅:

输入级中的LED的机能会跟着光阴的推移而低落,这会影响器件寿命,并可能导致传播延迟光阴增长,进而影响系统机能。

它们较低的共模瞬变抗扰度(CMTI)限定了功率FETs的切换速率。

它们平日仅支持较低的事情温度范围,是以很难创造出更紧凑的设计。

TI供给了应用电容隔离技巧的隔离栅极驱动器,以赞助降服光耦合器中一些常见的设计难题。

图3比较了传统的光耦合器栅极驱动器与TI应用电容隔离的隔离栅极驱动器。TI的电容隔离栅极驱动用具有更高的CMTI额定值、更宽的事情温度范围以及改进的计时规范,例如,部件到部件的偏斜和传播延迟。

图3.光耦隔离栅极驱动器(a)和电容隔离栅极驱动器(b)的比较

隔离电流和电压反馈

交流电机驱动应用由电压和电流反馈丈量值组成的闭环节制系统来节制交流电机的速率和扭矩。因为电压和电流反馈需在高压侧丈量,是以旌旗灯号必须与低压节制器侧隔离。

在电机的三相中的每相上测得的同轴相电流用于导出节制IGBTs的最佳PWM模式。这些同轴相电流丈量的准确性、噪声、带宽、延迟和CMTI直接影响电机的扭矩和速率输出曲线。

如图4所示,电容耦合隔离式放大年夜器和调制器和光耦条约类产品比拟,具有更少的旌旗灯号传播延迟、更佳的CMTI以及更长的寿命和靠得住性。

图4.隔离式放大年夜器的示例(a);和隔离式调制器(b)

图5所示为应用隔离式放大年夜器进行基于分流的电流感应和基于电阻分压器的电压感应的反馈感应环路的范例框图。经由过程分流电阻器RSHUNT来完成对相电流的丈量。

图5.实现范例的电流和电压反馈

与光耦合器比拟,TI的隔离式放大年夜器支持极小的双向输入电压范围,具有很高的CMTI和整体精度。这些功能可在高噪声电机驱动情况中实现靠得住的电流感应。这些器件的高阻抗输入和宽输入电压范围使其极着实用于直流母线总线电压感应。

什么是交流电机驱动系统?

交流电机驱动中的节制模块基于位置反馈模块的输入、模拟输入和数字输入,认真电机驱动系统的旌旗灯号处置惩罚和总体节制算法。这些数字输入平日是来自现场传感器和开关的24 V旌旗灯号,可传达紧急竣事旌旗灯号(例如安然扭矩关闭(STO))或有关电机运行的信息(例如速率和位置)。

与节制算法一同应用时,这些数字旌旗灯号输入将对功率级进行任何需要调剂,以实现目标输出。将节制模块与数字输入隔离可防止接地电位差引起通信差错。

只管光耦合器已用于隔离数字输入,然则数字隔离器技巧的最新成长彻底改革了系统设计职员设计数字输入的要领。

图6所示为用于隔离数字输入的光耦合器常见办理规划。该办理规划应用数个分立元件(9至15个)来实现电流限值和受控电压阈值。

图6.范例的光耦隔离数字输入办理规划

应用这种繁杂的办理规划,电流限值可以远高于2 mA的目标电流限值,且在全部温度范围内可能高达6 mA(详细取决于设计)。此外,光耦合器之后的施密特触发器缓冲器还为抗噪供给了滞后功能。图7所示为一种简化的办理规划,一种专用于数字输入利用的专用数字隔离器。采纳TI电容性隔离技巧的器件可实现《2.5 mA的电流限值。该办理规划无需施密特触发器来抗噪,仅需两个电阻(RSENSE和RTHR)来设置所选的电流限值和电压阈值。

图7.应用TI数字隔离器的隔离数字输入办理规划

与光耦合器比拟,基于电容的数字隔离措施的上风在于其具有更低的功耗。TI的数字隔离器的正确电流限值可将数字输入所引电流削减五分之一,从而大年夜大年夜低落了功耗和电路板温度。其他功能包括具有通道距离离功能的双通道选件,可赞助削减电路板空间,同时还供给低传播延迟和4 Mbps数据速度,以支持STO输入。

用光耦合器支持STO输入必要高速光耦合器。与基于电容的数字隔离技巧比拟,这种光耦合器价格昂贵且应用寿命较短。

总结

无论您正在隔离功率级中的栅极驱动器、隔离电压或电流反馈,照样隔离节制模块中的数字输入,TI的基于电容的隔离技巧都彻底改革了交流电机驱动器的应用寿命和温度要求,且在许多环境下,此种技巧供给了比光耦合器更紧凑的办理规划。

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