信號和電源隔離有助於確保交流電機驅動係統的穩定運行，並保護操作人員免受高壓危險。

 

但並非所有隔離技術都能滿足所有需求
，尤其是在器件壽命和溫度性能方麵。

 

為解決交流（AC）電機設計挑戰，本文對比了德州儀器（TI）的基於電容的隔離技術和傳統的隔離技術，包括隔離柵極驅動器在功率級、隔離電壓、電流反饋或控製模塊中隔離式數字輸入。

 

什麼是交流電機驅動係統？

 

交流電機驅動是一種使用交流電輸入的感應電動機，如圖1所示

，它可以驅動大型工業負載，例如加熱、通風、商業樓宇的空調、泵和壓縮機的運行。交流電機也能驅動需要調節速度的工廠自動化和工業器件負載，例如傳送帶或隧道掘進
、采礦和造紙設備。

 

圖1.工廠中帶有交流電機驅動的感應電機

 

交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)采(cai)用(yong)交(jiao)流(liu)能(neng)量(liang)
，將(jiang)其(qi)整(zheng)流(liu)為(wei)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)電(dian)壓(ya)，實(shi)現(xian)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)，然(ran)後(hou)基(ji)於(yu)負(fu)載(zai)需(xu)求(qiu)通(tong)過(guo)複(fu)雜(za)的(de)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)將(jiang)直(zhi)流(liu)電(dian)轉(zhuan)換(huan)回(hui)交(jiao)流(liu)電(dian)。

 

圖2所示為交流電機驅動係統的框圖，其中功率級和電源供給標記為綠色。

 

交流電機驅動中的隔離

 

諸如交流電機驅動之類的電機驅動係統包含高電壓和高功率等級；因此，必須采取措施保護操作人員和整個係統的關鍵組件。

 

此外，也需要保護關鍵係統組件（例如控製器和通信外圍器件）免受電機驅動中的大功率和高壓電路的影響。

 

根據國際電工委員會61800-5-1安全標準的定義，可通過半導體集成電路（IC）在組件級進行隔離來實現電路之間的絕緣。

 

隔離ICs可(ke)在(zai)高(gao)壓(ya)和(he)低(di)壓(ya)單(dan)元(yuan)之(zhi)間(jian)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)和(he)功(gong)率(lv)，同(tong)時(shi)可(ke)防(fang)止(zhi)任(ren)何(he)危(wei)險(xian)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)或(huo)不(bu)受(shou)控(kong)製(zhi)的(de)瞬(shun)態(tai)電(dian)流(liu)。通(tong)常(chang)來(lai)講(jiang)，隔(ge)離(li)器(qi)通(tong)過(guo)隔(ge)離(li)柵(zha)在(zai)電(dian)路(lu)內(nei)提(ti)供(gong)所(suo)需(xu)的(de)絕(jue)緣(yuan)等(deng)級(ji)。隔(ge)離(li)柵(zha)將(jiang)高(gao)壓(ya)與(yu)人(ren)可(ke)接(jie)觸(chu)的(de)零(ling)件(jian)分(fen)開(kai)。

 

在交流電機驅動中實現隔離

 

設計人員在交流電機驅動中實現隔離隔柵時有多種選擇
，但過去40年(nian)來(lai)，在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)實(shi)現(xian)電(dian)流(liu)隔(ge)離(li)的(de)最(zui)常(chang)用(yong)器(qi)件(jian)一(yi)直(zhi)是(shi)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)，也(ye)稱(cheng)為(wei)光(guang)隔(ge)離(li)器(qi)或(huo)光(guang)電(dian)耦(ou)合(he)器(qi)。盡(jin)管(guan)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)具(ju)有(you)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)且(qie)普(pu)遍(bian)存(cun)在(zai)
，但(dan)其(qi)無(wu)法(fa)提(ti)供(gong)與(yu)最(zui)新(xin)隔(ge)離(li)方(fang)法(fa)同(tong)等(deng)水(shui)平(ping)的(de)溫(wen)度(du)性(xing)能(neng)或(huo)器(qi)件(jian)壽(shou)命(ming)。

 

TI的電容隔離技術在將二氧化矽（基礎片上絕緣）用yong作zuo電dian介jie質zhi的de電dian容rong電dian路lu中zhong集ji成cheng了le增zeng強qiang的de信xin號hao隔ge離li功gong能neng。與yu光guang耦ou合he器qi不bu同tong，其qi可ke將jiang隔ge離li電dian路lu與yu其qi他ta電dian路lu集ji成cheng在zai同tong一yi芯xin片pian上shang。通tong過guo此ci工gong藝yi製zhi造zao的de隔ge離li器qi具ju有you可ke靠kao性xing、防震性和增強的隔離性
，相當於單個封裝中的兩個基本隔離等級。

 

以下各部分探討了交流電機驅動設計中與隔離相關的三個關鍵設計挑戰，同時還重點介紹了電容隔離相較於光耦合器的優勢。

 

隔離功率級中的柵極驅動器

 

交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)的(de)功(gong)率(lv)級(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)拓(tuo)撲(pu)是(shi)用(yong)於(yu)傳(chuan)輸(shu)千(qian)瓦(wa)至(zhi)兆(zhao)瓦(wa)範(fan)圍(wei)內(nei)功(gong)率(lv)的(de)三(san)相(xiang)逆(ni)變(bian)器(qi)拓(tuo)撲(pu)。這(zhe)些(xie)逆(ni)變(bian)器(qi)將(jiang)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)轉(zhuan)換(huan)為(wei)交(jiao)流(liu)電(dian)源(yuan)。典(dian)型(xing)的(de)直(zhi)流(liu)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)為(wei)600 V-1,200V。該三相逆變器使用六個隔離式柵極驅動器來打開和關閉電源開關（通常是一組絕緣柵門極晶體管[IGBTs]或IGBT模塊）。由於其卓越的性能，設計人員開始使用寬帶隙器件
，例如碳化矽（SiC）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFETs）或模塊。

 

每個相都使用通常處在20kHz至30kHz範圍內工作的高側和低側IGBT開關，以交替模式向電機繞組施加正負高壓直流脈衝。每個IGBT或SiC模mo塊kuai均jun由you單dan個ge隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi驅qu動dong。柵zha極ji驅qu動dong器qi的de高gao壓ya輸shu出chu與yu來lai自zi控kong製zhi器qi的de低di壓ya控kong製zhi輸shu入ru之zhi間jian的de隔ge離li是shi產chan生sheng電dian流liu的de。柵zha極ji驅qu動dong器qi將jiang來lai自zi控kong製zhi器qi的de脈mai衝chong寬kuan度du調tiao製zhi（PWM）信號轉換為用於場效應晶體管（FETs）或IGBTs的柵極脈衝。此外，這些柵極驅動器需要具有集成的保護功能，例如去飽和作用、有源米勒鉗位和軟關斷。

 

隔離柵極驅動器具有兩側：初級側（即輸入級）和次級側（與FET連接）。初級側有兩種類型的輸入級：基於電壓和基於電流的輸入級。通過輸入級，柵極驅動器可以連接到能夠告知柵極驅動器在指定時間打開或關閉的控製器。

 

使用基於電流的輸入級的光耦合器柵極驅動器通常在電機驅動應用中驅動IGBTs。基ji於yu電dian流liu的de輸shu入ru級ji往wang往wang具ju有you較jiao好hao的de抗kang噪zao能neng力li
，因yin此ci需xu要yao在zai控kong製zhi器qi和he光guang耦ou合he器qi之zhi間jian設she置zhi一yi個ge緩huan衝chong級ji。使shi用yong緩huan衝chong級ji的de基ji於yu電dian流liu的de輸shu入ru級ji驅qu動dong器qi的de功gong耗hao通tong常chang也ye會hui更geng高gao。

 

傳統光耦合器柵極驅動器確實存在著一些挑戰：

 

 

TI提供了使用電容隔離技術的隔離柵極驅動器，以幫助克服光耦合器中一些常見的設計難題。

 

圖3對比了傳統的光耦合器柵極驅動器與TI使用電容隔離的隔離柵極驅動器。TI的電容隔離柵極驅動器具有更高的CMTI額定值
、更寬的工作溫度範圍以及改進的計時規範，例如，部件到部件的偏斜和傳播延遲。

 

圖3.光耦隔離柵極驅動器（a）和電容隔離柵極驅動器（b）的對比

 

隔離電流和電壓反饋

 

交jiao流liu電dian機ji驅qu動dong使shi用yong由you電dian壓ya和he電dian流liu反fan饋kui測ce量liang值zhi組zu成cheng的de閉bi環huan控kong製zhi係xi統tong來lai控kong製zhi交jiao流liu電dian機ji的de速su度du和he扭niu矩ju。由you於yu電dian壓ya和he電dian流liu反fan饋kui需xu在zai高gao壓ya側ce測ce量liang，因yin此ci信xin號hao必bi須xu與yu低di壓ya控kong製zhi器qi側ce隔ge離li。

 

在電機的三相中的每相上測得的同軸相電流用於導出控製IGBTs的最佳PWM模式。這些同軸相電流測量的準確性、噪聲、帶寬、延遲和CMTI直接影響電機的扭矩和速度輸出曲線。

 

如圖4所示，電容耦合隔離式放大器和調製器和光耦合同類產品相比，具有更少的信號傳播延遲、更佳的CMTI以及更長的壽命和可靠性。

 

圖4.隔離式放大器的示例（a）；和隔離式調製器（b）

 

圖5所示為使用隔離式放大器進行基於分流的電流感應和基於電阻分壓器的電壓感應的反饋感應環路的典型框圖。通過分流電阻器RSHUNT來完成對相電流的測量。

 

圖5.實現典型的電流和電壓反饋

 

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範圍，具有很高的CMTIhezhengtijingdu。zhexiegongnengkezaigaozaoshengdianjiqudonghuanjingzhongshixiankekaodedianliuganying。zhexieqijiandegaozukangshuruhekuanshurudianyafanweishiqijiqishiyongyuzhiliumuxianzongxiandianyaganying。

 

什麼是交流電機驅動係統
？

 

交流電機驅動中的控製模塊基於位置反饋模塊的輸入、模擬輸入和數字輸入，負責電機驅動係統的信號處理和總體控製算法。這些數字輸入通常是來自現場傳感器和開關的24 V信號，可傳達緊急停止信號（例如安全扭矩關閉（STO））或有關電機運行的信息（例如速度和位置）。

 

與(yu)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)一(yi)同(tong)使(shi)用(yong)時(shi)
，這(zhe)些(xie)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)輸(shu)入(ru)將(jiang)對(dui)功(gong)率(lv)級(ji)進(jin)行(xing)任(ren)何(he)必(bi)要(yao)調(tiao)整(zheng)，以(yi)實(shi)現(xian)目(mu)標(biao)輸(shu)出(chu)。將(jiang)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)與(yu)數(shu)字(zi)輸(shu)入(ru)隔(ge)離(li)可(ke)防(fang)止(zhi)接(jie)地(di)電(dian)位(wei)差(cha)引(yin)起(qi)通(tong)信(xin)錯(cuo)誤(wu)。

 

盡管光耦合器已用於隔離數字輸入，但是數字隔離器技術的最新發展徹底革新了係統設計人員設計數字輸入的方式。

 

圖6所示為用於隔離數字輸入的光耦合器常見解決方案。該解決方案使用數個分立元件（9至15個）來實現電流限值和受控電壓閾值。

 

圖6.典型的光耦隔離數字輸入解決方案

 

使用這種複雜的解決方案
，電流限值可以遠高於2 mA的目標電流限值，且在整個溫度範圍內可能高達6 mA（具體取決於設計）。此外，光耦合器之後的施密特觸發器緩衝器還為抗噪提供了滯後功能。圖7所示為一種簡化的解決方案，一種專用於數字輸入應用的專用數字隔離器。采用TI電容性隔離技術的器件可實現<2.5 mA的電流限值。該解決方案無需施密特觸發器來抗噪，僅需兩個電阻（RSENSE和RTHR）來設置所選的電流限值和電壓閾值。

 

圖7.使用TI數字隔離器的隔離數字輸入解決方案

 

與光耦合器相比，基於電容的數字隔離方法的優勢在於其具有更低的功耗。TI的(de)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)精(jing)確(que)電(dian)流(liu)限(xian)值(zhi)可(ke)將(jiang)數(shu)字(zi)輸(shu)入(ru)所(suo)引(yin)電(dian)流(liu)減(jian)少(shao)五(wu)分(fen)之(zhi)一(yi)，從(cong)而(er)大(da)大(da)降(jiang)低(di)了(le)功(gong)耗(hao)和(he)電(dian)路(lu)板(ban)溫(wen)度(du)。其(qi)他(ta)功(gong)能(neng)包(bao)括(kuo)具(ju)有(you)通(tong)道(dao)間(jian)隔(ge)離(li)功(gong)能(neng)的(de)雙(shuang)通(tong)道(dao)選(xuan)件(jian)，可(ke)幫(bang)助(zhu)減(jian)少(shao)電(dian)路(lu)板(ban)空(kong)間(jian)
，同(tong)時(shi)還(hai)提(ti)供(gong)低(di)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)和(he)4 Mbps數據速率，以支持STO輸入。

 

用光耦合器支持STO輸入需要高速光耦合器。與基於電容的數字隔離技術相比

，這種光耦合器價格昂貴且使用壽命較短。

 

總結

 

無論您正在隔離功率級中的柵極驅動器、隔離電壓或電流反饋
，還是隔離控製模塊中的數字輸入，TIdejiyudianrongdegelijishudouchedigexinlejiaoliudianjiqudongqideshiyongshouminghewenduyaoqiu
，qiezaixuduoqingkuangxia，cizhongjishutigonglebiguangouheqigengjincoudejiejuefangan。

 

 

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