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工業(yè)電機(jī)驅(qū)動中的柵極驅(qū)動和電流反饋信號隔離

時間:2019-04-20 08:38:52來源:網(wǎng)絡(luò) 作者:電子愛好者 點擊:
二十多年來,電動機(jī)能效一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點。這是通過提高電力使用效率和使用可再生能源轉(zhuǎn)換一些能源來實現(xiàn)最大限度減少碳排放的全球努力的一部分。早期的運(yùn)

二十多年來,電動機(jī)能效一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點。這是通過提高電力使用效率和使用可再生能源轉(zhuǎn)換一些能源來實現(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)電動機(jī)(SQIM)自電力普及以來一直是業(yè)界的主力,因為它可以在直接連接到三相交流電源時啟動和運(yùn)行。當(dāng)前的IEC標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)額定功率對這些電機(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,中國和日本)是強(qiáng)制性的。工廠運(yùn)營商并沒有抵制這種變化,因為電機(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)動和信號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)視為市場機(jī)遇。與標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)相比,高級和超高效電機(jī)在材料,設(shè)計和制造方面的成本更高,但它們的市場價格更高。然而,新的IEC效率分級IE5和IE6的開發(fā)將給電機(jī)制造商帶來問題。電機(jī)專家認(rèn)為,設(shè)計線路連接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問題。使用鐵氧體磁鐵或為支持不斷增長的電動車市場而開發(fā)的新磁性材料的新型軸向電機(jī)設(shè)計可以緩解這些問題。IE5效率等級驅(qū)動器(ABB)也正在認(rèn)真考慮同步磁阻電動機(jī)(SRM)。SRM既沒有轉(zhuǎn)子繞組也沒有磁鐵,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)的趨勢正在增加對基于IGBT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。增加的價值控制功能,如狀態(tài)監(jiān)測,電能計量和工廠網(wǎng)絡(luò)連接,可提高過程效率和可靠性。隔離技術(shù)是驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,因為它可以安全地將控制器用戶界面與連接到逆變器的危險高壓隔離開來。

幾個高級別因素會影響給定驅(qū)動器中的隔離要求和架構(gòu); 這些包括電機(jī)驅(qū)動器性能水平,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。

 
 
 
圖1

圖1.整合的電機(jī)控制架構(gòu)。

在許多情況下,關(guān)鍵隔離節(jié)點是柵極驅(qū)動器和電機(jī)相電流感測電路。兩個位置都涉及以切換的高電壓電平為參考的受控或測量信號,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。

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

 
 
 
圖2

圖2.三相逆變器支路中的信號參考。

隔離門驅(qū)動器

從圖2中還可以看出隔離柵極驅(qū)動器的基本要求。這些要求包括邏輯電平開關(guān)信號的功能或安全隔離,以及能夠驅(qū)動IGBT柵極電壓超過導(dǎo)通和關(guān)閉閾值的輸出驅(qū)動器。在所需的時刻切換IGBT,最大限度地減少器件導(dǎo)通損耗,開關(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)不會在一起,即使在短時間內(nèi)也是如此。這需要在高側(cè)和低側(cè)開關(guān)信號之間插入一個小的死區(qū)時間。在系統(tǒng)性能和IGBT保護(hù)(O'Sullivan)的背景下,最小化這個死區(qū)時間至關(guān)重要。

IGBT導(dǎo)通需要將IGBT驅(qū)動到飽和區(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,這可以通過將IGBT柵極發(fā)射極電壓降低到0V來實現(xiàn)。但是,當(dāng)高側(cè)晶體管導(dǎo)通時必須考慮次要影響。開關(guān)節(jié)點電壓的快速轉(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GD)。該電流流過低側(cè)柵極驅(qū)動器(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。

 
 
 
圖3

圖3. IGBT開關(guān)中的米勒效應(yīng)

通常有兩種方法來解決逆變器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)電壓瞬變來引起虛假導(dǎo)通。這通常足以防止虛假開啟。一種互補(bǔ)的方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換之后的一段時間內(nèi)減小柵極驅(qū)動器電路的關(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。通過利用非對稱柵極電阻器來導(dǎo)通和關(guān)斷,可以提供控制開關(guān)速率的額外靈活性。所有這些柵極驅(qū)動器功能都對整個系統(tǒng)的可靠性和效率產(chǎn)生積極影響。

電動機(jī)驅(qū)動器中的過電流保護(hù)通常在幾個級別上實現(xiàn)。持續(xù)過電流和瞬態(tài)過電流之間的區(qū)別可以包括在驅(qū)動保護(hù)方案中,并且這些過電流事件具有不同的跳閘水平和時間常數(shù)。這種過流保護(hù)通常基于電流測量來實現(xiàn)。對于非常快速且可能發(fā)生災(zāi)難性的過流事件,例如逆變器輸出上的短路,在柵極驅(qū)動器內(nèi)集成快速動作保護(hù)機(jī)制可能是有利的。通過在IGBT導(dǎo)通時監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓來實現(xiàn)去飽和保護(hù)。當(dāng)IGBT飽和時,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)計為觸發(fā)故障并且一旦導(dǎo)通狀態(tài)電壓增加超過可接受的水平就快速關(guān)斷IGBT。存在短消隱時間,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)過電流而在開啟時防止誤觸發(fā)。

該ADUM4135ADI公司的隔離柵極驅(qū)動器具有雙極性電源,米勒鉗位和非對稱導(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)時間的系統(tǒng)影響如圖4所示,其中描述了兩個不同死區(qū)時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)矩脈動和振動增加的性能,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

圖4.在(a)500 ns死區(qū)時間(b)1μs死區(qū)時間測得的線電機(jī)電壓。

隔離電流感

電機(jī)相電流檢測節(jié)點連接到與柵極驅(qū)動器輸出相同的電路節(jié)點,如圖2所示,用于基于分流的測量。因此,它們經(jīng)歷相同的隔離電壓和開關(guān)瞬變。相電流檢測對于高性能閉環(huán)電機(jī)控制至關(guān)重要,在這種惡劣的電噪聲環(huán)境中實現(xiàn)高保真測量并非易事。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,趨勢是使用具有隔離Σ-Δ調(diào)制器的分流電阻,如AD7403來自ADI公司。前面的系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動器功能來實現(xiàn)所概述的短路過電流保護(hù),而后一種基于調(diào)制器的隔離電流感測方案可以通過快速粗略的數(shù)字濾波器(O'Byrne)直接實現(xiàn)這一點。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持

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    GC8548 是一款雙通道 12V 直流電機(jī)驅(qū)動芯片,為攝像機(jī)、消費類產(chǎn)品、玩具和其他低壓或者電池供電的運(yùn)動控制類應(yīng)用提供了集成的電機(jī)驅(qū)動解決方案。芯片一般用來驅(qū)動兩個直流電機(jī)或者驅(qū)動一個步進(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,并具有過溫保護(hù),欠壓保護(hù),短路保護(hù),過流保護(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

    首先看看,GC9110T 是一款 12V 直流電機(jī)驅(qū)動芯片,為攝像機(jī)、消費類產(chǎn)品、玩具和其他低壓或者電池供電的運(yùn)動控制類應(yīng)用提供了集成的電機(jī)驅(qū)動解決方案。芯片一般用了驅(qū)動一個直流電機(jī)或者使用兩顆來驅(qū)動一個步進(jìn)電機(jī)。GC9110T 是 GC9110(低壓 6V 驅(qū)動)的 12V 升級版本,客戶根據(jù)應(yīng)用電壓與成本
    來選擇芯片。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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