電源逆變器應用中隔離架構、電路和元件的選擇

電機和電源控制逆變器設計人員都會(huì )遇到相同的問(wèn)題，即如何將控制和用戶(hù)接口電路與危險的功率線(xiàn)路電壓隔離。隔離最主要的要求是方式功率線(xiàn)路電壓損壞控制電路，更重要的是，保護用戶(hù)受到危險電壓傷害。系統必須符合相應國際標準規定的安全要求，例如涵蓋電機驅動(dòng)和太陽(yáng)能逆變器的IEC 61800和IEC62109。這些標準主要注重符合性測試。標準的符合性測試會(huì )如何賦予工程師自由度?標準會(huì )在安全性方面為工程師提供指導，但如何賦予工程師自由度，以便可以選擇符合目標系統規格以及標準的相應架構、電路和元件呢?這些是由電路滿(mǎn)足在效率、帶寬和精度方面提供系統所需性能，同時(shí)又滿(mǎn)足安全隔離要求來(lái)決定的。設計創(chuàng )新系統的難題是，為現有架構、電路和元件制定的設計規則可能不再適用。因此，工程師需要花時(shí)間認真評估新電路或元件符合EMC和安全性標準的能力。某些地區工程師的責任更大，一旦所設計系統的安全功能失效并導致傷害，工程師可能需要承擔個(gè)人責任。本文探討了系統架構選擇對電源和控制電路設計以及系統性能的影響。本文還將說(shuō)明最新可用隔離元件的性能提升如何幫助替代架構在不影響安全性的前提下提升系統性能。

隔離架構

我們關(guān)心的問(wèn)題是您需要根據用戶(hù)提供的命令，安全地控制從交流電源到負載的能量流動(dòng)。此問(wèn)題在圖1所示的高電平電機驅動(dòng)系統圖中針對以下三個(gè)電源域進(jìn)行了闡述：給定、控制和功率。安全性要求是，用戶(hù)給定電路必須與功率電路上的危險電壓進(jìn)行電位隔離。架構決策取決于隔離柵放置在給定和控制電路之間還是控制和功率電路之間。在電路之間引入隔離柵會(huì )影響信號完整性并增加成本。模擬反饋信號的隔離尤其困難，因為傳統變壓器方法會(huì )抑制直流信號分量并引入非線(xiàn)性。低速時(shí)的數字信號隔離相當簡(jiǎn)單，但在高速或需要低延遲時(shí)則非常困難，并且耗電量巨大。帶3相逆變器的系統中的電源隔離尤為困難，因為有多個(gè)電源域連接至電源電路。電源電路有四個(gè)不同域，這些域需彼此之間需要功能性隔離;所以高端柵極驅動(dòng)和繞組電流信號需要與控制電路功能性隔離，即使兩者可能與功率地共地。

圖1. 電機控制系統中的隔離架構

非隔離式控制架構在控制和電源電路之間存在共同的接地連接。這樣電機控制ADC可獲取電源電路中的所有信號。電機繞組電流流入低側逆變器臂時(shí)，ADC在基于中心的PWM信號的中點(diǎn)處進(jìn)行采樣。低側IGBT柵極的驅動(dòng)器可以是簡(jiǎn)單的非隔離式，但PWM信號須經(jīng)由具有功能性隔離或電平移位轉換實(shí)現與三個(gè)高側IGBT柵極隔離。命令和控制電路之間的隔離造成的復雜性取決于最終應用，但通常涉及使用獨立系統和通信處理器。簡(jiǎn)單處理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上發(fā)送速度命令的架構在家用設備或低端工業(yè)應用中可以接受。由于命令接口的高帶寬要求，非隔離式架構在用于機器人和自動(dòng)化應用的高性能驅動(dòng)器中較少見(jiàn)。

隔離式控制架構在控制和命令電路之間存在共同的接地連接。這使得控制和命令接口之間可以實(shí)現非常緊密的耦合，并且可使用單個(gè)處理器。隔離問(wèn)題轉到電源逆變器信號上來(lái)，從而帶來(lái)一系列不同挑戰。柵極驅動(dòng)信號需要相對高速的數字隔離來(lái)滿(mǎn)足逆變器的時(shí)序要求。由于存在非常高的電壓，磁性或光學(xué)耦合的驅動(dòng)器在隔離要求極高的逆變器應用中表現良好。直流母線(xiàn)電壓隔離電路的要求則適中，這是因為其需要的動(dòng)態(tài)范圍

和帶寬較低。電機電流反饋是高性能驅動(dòng)器中最大的難題，因為其需要高帶寬和線(xiàn)性隔離。電流互感器(CT)是很好的選擇，因為它們提供的隔離信號能夠輕松測量。CT在低電流時(shí)具有非線(xiàn)性，不會(huì )傳輸直流電平，但廣泛用于低端逆變器中。CT還用于帶非隔離式控制架構的大功率逆變器，因為這些場(chǎng)合下采用分流電阻采樣會(huì )導致?lián)p耗太大。開(kāi)環(huán)和閉環(huán)霍爾效應電流傳感器可測量交流信號，因此更適合高端驅動(dòng)器，但受失調影響。阻性分流器可提供高帶寬、線(xiàn)性信號，而且偏移低，但需要與高帶寬、低偏移隔離放大器相匹配。通常，電機控制ADC可直接采樣隔離電流信號，但下一節描述的替代測量架構可將隔離問(wèn)題轉移到數字域，并且能夠大幅提升性能。

使用隔離式轉換器的逆變器反饋

改善隔離系統線(xiàn)性度的一種常見(jiàn)方法是將ADC移至隔離柵的另一側并隔離數字信號。在許多情況下，這需要將串聯(lián)ADC與數字信號隔離器結合使用。由于對電機電流反饋存在高頻的特殊要求，以及需要對驅動(dòng)保護進(jìn)行快速響應，因此可選擇Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC配有一個(gè)可將模擬信號轉換為一位碼流的線(xiàn)性調制器，其后配備可將信號重構為高分辨率數字字的數字濾波器。此方法的好處是可使用兩種不同的數字濾波器：較慢的用于高保真反饋，另一個(gè)低保真快速濾波器用于保護逆變器。在圖2中，繞組分流器用于測量電機繞組電流，隔離式ADC用于在隔離柵上傳輸10 MHz數據流。Sinc濾波器可將高分辨率電流數據提交給電機控制算法，該算法會(huì )計算施加所需逆變器電壓需要的逆變器占空比。另一個(gè)低分辨率濾波器可檢測電流過(guò)載，并在出現故障時(shí)將跳變信號發(fā)送至PWM調制器。Sinc濾波器頻率響應曲線(xiàn)解釋說(shuō)明了合適的參數選擇如何能夠使濾波器抑制電流采樣中的PWM開(kāi)關(guān)紋波。

圖2. 隔離式電流反饋

圖3. Sinc濾波器頻率響應

電源輸出隔離

兩種控制架構的共同問(wèn)題是需要支持多個(gè)隔離電源域。如果每個(gè)域需要多個(gè)偏置軌，就更加難以實(shí)現。圖4的電路可產(chǎn)生+15 V和–7.5 V電壓用于柵極驅動(dòng)，+5 V電壓用于為ADC供電，均在一個(gè)域中，同時(shí)每個(gè)域僅使用一個(gè)變壓器繞組和兩個(gè)引腳。使用一個(gè)變壓器磁芯和骨架為四個(gè)不同電源域創(chuàng )造雙電源或三電源。

圖4. 柵極驅動(dòng)和電流反饋轉換器的隔離電源電路