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用户和敏感电子设备的隔离是电机控制系统中的一个重要考虑因素。 安全隔离用于保护用户免受有害电压的伤害信号隔离器的原理，而功能隔离旨在保护设备和组件。 电机控制系统可能包含各种各样的隔离设备，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器； 检测电路中的隔离式 ADC、放大器和传感器； 和隔离 SPI、RS-485、标准数字隔离器。 无论是出于安全原因还是为了优化性能，都需要仔细选择这些设备。

虽然隔离是一个重要的系统考虑因素，但它也有缺点：功耗增加、跨隔离屏障传输数据的延迟以及系统成本增加。 系统设计人员传统上转向光隔离，多年来它一直是系统隔离的自然选择。 在过去十年中，基于磁性（变压器传输）方法的数字隔离器提供了一种可行且在许多情况下更优越的替代方案； 从系统的角度来看，它还提供了系统设计人员可能没有意识到的优势。

本文将讨论这两种隔离解决方案，重点关注磁隔离提供的延迟定时性能改进，以及由此产生的电机控制应用的系统级优势。

隔离法

光耦合器利用光作为主要传输方式，如图 1 所示。发送端包括一个 LED，高电平信号打开 LED，低电平信号关闭 LED。 接收端使用光电探测器将接收到的光信号转换回电信号。 隔离由 LED 和光电探测器之间的模塑料提供，但也可以通过额外的隔离层（通常基于聚合物）来增强。

图 1. 光耦合器结构

光耦合器的最大缺点之一是随着 LED 的老化，传输特性会发生漂移； 设计师必须考虑到这个额外的问题。 LED 老化会导致时序性能随时间和温度漂移。 结果信号隔离器的原理，信号传播和上升/下降时间受到影响，使设计复杂化，尤其是考虑到本文稍后将处理的问题。

光耦合器的性能扩展也受到限制。 为了提高数据速率，必须克服光耦合器固有的寄生电容，这会导致功耗增加。 寄生电容还提供了一种耦合机制，导致基于光耦合器的隔离器件的 CMTI（共模瞬态抗扰度）性能不如竞争解决方案。

磁性隔离器（基于变压器）已大规模使用十多年，是光耦合器的有效替代品。 这种类型的隔离器基于标准 CMOS 技术，并使用磁传输原理。 隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅制成，如图 2 所示。低电平电流脉冲通过线圈，产生穿过隔离层的磁场，并在另一侧的第二个线圈中感应出电流的隔离屏障。 由于采用标准 CMOS 结构，它在功耗和速度方面具有显着优势，并且不会出现与光耦合器相关的寿命偏差问题。 此外，基于变压器的隔离器的 CMTI 性能优于基于光耦合器的隔离器。

图 2. 磁性变压器结构

基于变压器的隔离器还允许使用传统的信号处理模块（以防止杂散输入的传输）和高级传输编码和解码机制。 这允许双向数据传输，使用不同的编码方案来优化功耗与传输速率，以及跨隔离屏障更快、更一致地传输重要信号。

延迟特性比较

所有隔离器的一个重要但经常被低估的特性是它们的传播延迟。 该特性测量信号（可以是驱动信号或故障检测信号）在任一方向穿过隔离栅所需的时间。 根据技术的不同，传输延迟差异很大。 通常，会提供典型的延迟值，但系统设计人员特别关心最大延迟，这是设计电机控制系统时要考虑的重要特性。 表 1 给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传播延迟和延迟偏移值示例。

表 1：光耦合器和磁隔离器的典型延迟特性

如表 1 所示，磁隔离在最大延迟和延迟可重复性（偏斜）方面具有明显优势。 这样，电机控制设计人员将对设计更有信心，而无需增加时序余量来满足栅极驱动器特性。 这对电机控制系统的性能和安全性具有非常重要的影响。

对电机控制系统的系统性影响

图 3 显示了交流电机控制应用中使用的典型三相逆变器。 逆变器由直流母线馈电，直流电通常由交流电源通过二极管桥式整流器和电容/电感-电容滤波器直接产生。 在大多数工业应用中，直流链路电压在 300 V 至 1000 V 范围内。脉冲宽度调制 (PWM) 方案用于以 5 kHz 至 10 kHz 的典型频率切换功率晶体管 T1 至 T6，从而在变电压、变频率的三相正弦交流电压加在电机端子上。

图 3. 电机控制应用中的三相逆变器

PWM 信号（例如 PWMaH 和 PWMaL）在电机控制器（通常使用处理器和/或 FPGA 实现）中生成。 这些信号通常是低电压信号并与处理器共用地。 为了正确地打开和关闭功率晶体管，必须放大和转换逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力，以便相关功率晶体管的发射极以地为参考。 根据处理器在系统中的位置，这些信号可能还需要安全隔离。

图 3 中的 GDRVaL 和 GDRVaH 等栅极驱动器执行此功能。 每个栅极驱动器 IC 都需要一个以处理器地为参考的初级电源电压和一个以晶体管发射极为参考的次级电源。 次级电源的电压电平必须能够开启功率晶体管（通常为 15 V），并具有足够的电流驱动能力来对晶体管栅极进行充电和放电。

逆变器死区时间

功率晶体管具有有限的开关时间，因此，必须在高侧和低侧晶体管之间的 PWM 波形中插入死区时间，如图 4 所示。这是为了防止两个晶体管意外打开同时，导致高压直流母线短路，从而可能导致系统故障和/或损坏风险。 死区时间的长度由两个因素决定：晶体管开关时间和栅极驱动器传播延迟失配（包括失配中的任何漂移）。 换句话说，死区时间必须考虑到 PWM 信号从处理器到高侧和低侧栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传输时间差异。

图 4. 死区时间插值

死区时间会影响施加到电机的平均电压，尤其是在低速时。 实际上，死区时间会引入一个大致恒定大小的误差电压，如下所示：

其中，VERROR为误差电压，tDEAD为死区时间，tON和tOFF为晶体管导通和关断延迟时间，TS为PWM开关周期，VDC为直流母线电压，VSAT为导通-功率管的状态压降，VD为二极管导通电压。

当一相电流改变方向时，误差电压改变极性，因此当线电流过零时，电机线电压发生阶跃变化。 这会引起正弦基波电压的谐波，进而在电机中产生谐波电流。 对于开环驱动中使用的大型低阻抗电机来说，这是一个特别重要的问题，其中谐波电流可能很大，导致低速振动、转矩脉动和谐波发热。

在以下条件下，死区时间对电机输出电压失真的影响最严重：

• 高直流母线电压

• 死区时间长

• 高开关频率

• 低速运行，尤其是在控制算法不添加任何补偿的开环驱动器中

低速运行很重要，因为在这种模式下，施加的电机电压在任何情况下都非常低，并且死区时间导致的误差电压可能占施加的电机电压的很大一部分。 此外，误差电压引起的扭曲抖动的影响更为有害，因为系统惯性的过滤仅在较高速度下可用。

在所有这些参数中，死区时间长度是唯一受隔离式栅极驱动器技术影响的参数。 死区时间的部分长度由功率晶体管的开关延迟时间决定，但其余部分与传播延迟失配有关。 在这方面，光隔离器明显不如磁隔离技术。

应用实例

为了说明死区时间对电机电流畸变的影响，下面给出了基于三相逆变器的开环电机驱动的结果。 逆变器栅极驱动器使用 Analog Devices 磁隔离器 (ADuM4223) 直接驱动 IR 的 IRG7PH46UDPBF 1200 V IGBT。 直流总线电压为 700 V。逆变器以开环 V/f 控制模式驱动三相感应电机。 将电阻分压器和分流电阻器与隔离式 sigma-delta 调制器（也是 Analog Devices 的 AD7403）结合使用，可以分别测量线电压和相电流。 每个调制器输出的单位数据流被发送到控制处理器（ADI 的 ADSP-CM408）的 sinc 滤波器，在那里数据被过滤和抽取以产生电压和电流信号的准确表示。

sinc数字滤波器输出的线电压实际测量结果如图5所示，实际线电压是10kHz的高开关频率波形，但经过数字滤波器滤除，以便显示我们感兴趣的低频部分。 相应的电机相电流如图 6 所示。

图 5. 测得的线间电机电压：（左）500 ns 死区时间； （右）1 μs 死区时间

图 6. 测得的电机电流：（左）500 ns 死区时间； （右）1 μs 死区时间

ADuM4223 栅极驱动器的传播延迟失配为 12 ns，因此可以使用 IGBT 开关所需的绝对最小死区时间。 对于 IR IGBT，最小死区时间可设置为 500 ns。 从左图可以看出，这种情况下的电压畸变极小。 此外，相电流是很好的正弦波，因此转矩波动很小。 右图显示了死区时间增加到 1 μs 时的线电压和相电流。 该值更能代表光耦合栅极驱动器的需求，因为它具有更大的传播延迟失配和漂移。 电压和电流失真都显着增加。

在这种情况下使用的感应电机是相对较小的高阻抗电机。 在更高功率的终端应用中，感应电机阻抗通常要低得多，从而导致电机电流失真和增加的扭矩纹波。 转矩脉动在许多应用中都会产生不利影响，例如降低电梯乘坐舒适度或机械系统中的轴承/联轴器磨损。

过流关断

现代栅极驱动器的另一个重要问题是处理器的关断命令在 IGBT 上的执行速度有多快。 在过流检测不是栅极驱动器本身的一部分，而是作为检测和滤波电路的一部分实施的情况下，这对于过流关断很重要。 这里的另一个压力是更高效 IGBT 的短路耐受时间缩短。 对此，IGBT技术的趋势是从行业标准的10μs缩短到5μs甚至更短。 如图 7 所示，过流检测电路通常需要几微秒才能锁定故障； 为了顺应总体发展趋势，必须采取措施缩短这一检测时间。 此路径中的另一个主要因素是从处理器/FPGA 输出到 IGBT 栅极（栅极驱动器）的传播延迟。 同样，磁隔离器相对于光学器件也有明显的优势，因为它们的传播延迟值非常小，通常在 50 ns 左右，以至于它们不再是一个因素。 相比之下，光耦合器的传播延迟约为 500 ns，占总时序预算的很大一部分。

图 7. 故障关断时序

电机控制应用的栅极驱动器关断时序如图 8 所示，其中来自处理器的关断命令遵循 IGBT 栅极-发射极信号。 从关断信号开始到 IGBT 栅极驱动信号接近零的总延迟仅为 72 ns。

图 8. 过流关断栅极驱动器时序

概括

随着对系统性能、效率和安全性的日益关注，电机控制架构师在设计稳健系统时面临着越来越复杂的挑战。 基于光耦合器的栅极驱动器是传统的选择，但基于变压器的解决方案不仅在功耗、速度、时间稳定性方面具有优势，而且如本文所述，由于减少信号，对系统性能和安全性有重大影响延误。 也有明显的优势。 这使设计人员能够可靠地减少死区时间并提高系统性能，同时防止高侧和低侧开关同时打开。 此外，它可以更快地响应系统命令和错误，这也增强了系统可靠性并提高了安全性。 鉴于这些优势，基于变压器的隔离式栅极驱动器已成为电机控制系统设计的主要选择； 强烈建议系统设计人员在设计下一个项目时将设备延迟视为一项重要要求。

参考

Krakauer David，MS-2576 技术文章，“平衡隔离器的安全关键因素”，Analog Devices, Inc.，2014 年。Muñoz Alfredo R. 和 omas A. Lipo，“开环 PWM 的在线死区时间补偿技术-VSI Drives，”IEEE 电力电子交易，卷。 14, No. 4, July 1999. NGTB15N60S1EG：IGBT——抗短路，ON Semiconductor。

关于作者

Dara O'Sullivan 是 Analog Devices 电机和电源控制部门的系统应用工程师。 他的专业领域是交流电机控制应用的功率转换和控制。 Dara 拥有爱尔兰科克大学的工程学士学位、工程硕士学位和博士学位。 联系方式：dara.osullivan@analog.com。

Maurice Moroney 是 Analog Devices 的 iCoupler® 数字隔离器事业部的营销经理，专注于电机控制、汽车和能源应用中的隔离式栅极驱动器和电压/电流检测。 Maurice 拥有爱尔兰利默里克大学的电气工程学士学位和工商管理硕士学位。 联系方式：maurice.moroney@analog.com。