交流電壓電機驅動借力數字隔離器，拉開與傳統解決方案的距離
發布時間：2014-12-25 11:10
發布者：designapp
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光耦合器與數字隔離器的背景知識 光耦合器使用LED發出的光將數據通過隔離柵傳輸到一個光電二極管。當LED開啟和關閉時，將在電氣隔離光電二極管一端產生邏輯高和低信號。光耦合器的速度與光電二極管檢波器的速率以及為其二極管電容充電的時間直接相關。提升速度的一種方式是提高LED電流，但其代價是功耗的增加。 而基于變壓器的數字隔離器借助變壓器以磁性方式將數據通過隔離柵進行耦合。 變壓器電流脈沖通過一個線圈，形成一個很小的局部磁場，從而在另一個線圈生成感應電流。變壓器的傳輸速率自然比光耦合器快很多。而且變壓器為差分架構，具有出色的共模瞬變抗擾度。另外，由于數字隔離器基于變壓器，而光耦合器則基于LED，因此，數字隔離器的可靠性/MTTF要遠遠優于光耦合器。 電機驅動設計中的隔離 圖1所示為Boston Engineering Corporation開發的高電壓FlexMC電機控制驅動的框圖。它接收一個通用交流輸入，提供一個功率因數校正(PFC)前端，驅動一個永磁同步電機(PMSM)，并為一個帶傳感器或不帶傳感器的控制裝置提供必要的反饋調理。 中間部分是一個隔離柵，位于高電壓電源電子元件和控制器之間。 電機電源電子元件隨高電壓電勢而浮動，而控制器則以大地為基準，因此需要進行隔離。 在閉環電機控制設計中，兩個關鍵的硬件構成為脈沖寬度調制(PWM)控制器輸出和電機相位電流反饋。這些信號(如框圖所示)通過隔離柵。另外，隔離器的使用還可惠及幾種其他功能，包括數字通信和低電壓、低功耗和隔離dc-dc轉換。 PWM隔離 對功率級進行脈沖寬度調制，這是所有電機驅動的核心所在。開關頻率范圍一般為10 kHz-20 kHz。在優化控制性能時，對脈沖寬度、死區時間和通道間延遲的精密控制顯得至關重要。在為PWM控制信號選擇適當的隔離器件時，數字隔離器在性能和成本兩個方面都要遠遠優于同級別的光耦合器選項(見表1中的比較)。 例如，控制器將在開關信號之間引入死區時間，以防止任何高端和低端晶體管對同時導通(即直通)。死區時間為功率開關的開啟和關閉延遲以及隔離電路所致延遲的不確定性的函數。ADuM1310 iCoupler數字隔離器的通道間匹配時間僅為2ns，光耦合器則高達500ns。采用數字隔離器可以大幅縮減死區時間，從而提高功率逆變器的性能。另外，如比較表中所示，除了性能以外，ADuM1310還是一種集成度更高的解決方案，可以減少元件數量和物料成本。 電機相電流 多數高級電機驅動以電機相電流為主反饋。為了提供連續的反饋，將超低電阻分流電阻與電機相位串聯起來。然而，這會增加電路的復雜性，因為需要測量毫伏級的信號以及以快速dv/dt高頻切換的百伏級共模電壓擺幅。 對于這種設計，兩個隔離的_-_調制器(即AD7401A)用來測量電機繞組電流，數字位流則由電機控制IC上的數字過濾電路進行處理。第三相電流可以基于另外兩相電流以數學方法計算得到，以減少功耗、降低元件成本。AD7401A在單封裝中集成了一個差分采樣保持級、一個_-_調制器和數字隔離機制。高電壓端模擬信號被轉換成一個數字串行數據流，然后通過隔離柵傳輸至低電壓端。AD7401A還含有一個時鐘輸入引腳，只需一個時鐘源，即可同時對各器件進行測量。正如表2所示，市場上的確存在集成度和成本類似的光耦合器；然而，數字隔離器技術在功耗、速度和可靠性方面的表現仍然更加突出，這是與器件的基礎結構相關的，更不用說AD7401A出色的調制器性能。 數字通信 I2C是一款雙線、多點通信接口，通常用于為控制器提供數字或模擬I/O擴展能力。這種方法通常是定期監控或更新的“一般管理”類功能的預留方法。FlexMC高電壓電路板采用一個I2C接口來與PFC控制器進行通信，同時以一個ADC來監控總線電壓、總線電流和IGBT溫度。ADuM1250允許控制器僅僅使用一個雙線外設接口通過一個隔離器對高電壓端的所有這些功能進行監控。相反，沒有一款光耦合器能夠單獨提供I2C隔離能力。結果，如表3所示，ADuM1250在成本、尺寸、元件數量和性能方面都是比光耦合器更具優勢的I2C隔離選擇。 隔離電源 數字隔離器技術給這種設計帶來的另一優勢在于可以產生超低電平的隔離電源。 兩個ADuM5000器件用于產生5V隔離電源，具備最高500mW的功率輸出能力。這些用于驅動_-_轉換器的模擬端，該電壓相對快速變化的電機電壓是浮動的。這些隔離電源與數據隔離器采用相同的技術，因此，它們都內置了一個開關頻率為180MHz的變壓器。這一頻率比標準DC-DC轉換器高出三個數量級，因而允許大幅縮減尺寸。ADuM5000器件采用SOIC-16封裝，是提供低功率隔離電壓的一種簡便方案。 |
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