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电力电子器件中模拟信号的隔离传输及串行D/A的实现

摘要：讨论了模拟信号隔离传输在电力电子器件开关电源中的意义及各种实现方法。 在综合分析比较的基础上，提出了串行D/A数字隔离传输的方法，并通过数控开关电源典型应用的分析和实验表明，该方法是可行的，可用于精密控制电力电子设备。

介绍

在电力电子设备中，经常需要在两个不同的模块之间传输模拟信号，并保证传输安全可靠。 通常两个不同模块之间的电位差可以达到数百伏甚至数千伏，例如电机控制中隔离的电枢电流和电压传感器，电机地与控制系统地的隔离等。特别是在一些电力电子设备中微处理器为核心，需要传递代表输出特性的参考信号，而工作在高频开关状态的电源电路和控制电路往往不在同一块电路板上。 当微机系统导致系统运行异常，为降低EMI和工频干扰，信号传输时需要严格隔离。 在工业过程控制和测量系统中，更普遍采用模拟量隔离传输技术，如热电偶、压力桥、应变片、传感器等的数据隔离和放大。 因此，研究准确可靠的传输方案对保证系统的整体性能具有重要意义。 本文以数控精密高频开关逆变电源系统为例，对电力电子器件中模拟信号的精确隔离和传输方法进行了研究。

一、隔离传输方式及其比较

实现电隔离的方法从耦合方式上可分为磁耦合隔离法、光电耦合隔离法、电容耦合隔离法等。

磁耦合隔离方式是最常用的耦合隔离方式。 图1是AD公司生产的隔离放大器AD202的内部结构示意图。 是典型的变压器耦合二端隔离放大器。 它采用调幅和解调技术，通过变压器将直流或交流信号耦合到输出级。 输入级内置独立运算放大器作为信号预处理，可完成缓冲、滤波等功能。 输出级是对信号进行解调、滤波和放大。 内置的DC/DC转换器可为输入侧的运放、调制器或其他电路供电。

图 2

此外，还有三点隔​​离的变压器耦合隔离放大器，如BB的3656，可以实现输入级和输出级的隔离，电源与放大器隔离，使信号和电源完全隔离。

电容耦合隔离方式比较先进，采用调频技术，通过输入电压的数字编码和差分电容势垒耦合，准确隔离和传输模拟信号。 图2所示为BB公司电容耦合隔离放大器ISO122的框图，隔离放大器的输入和输出之间通过两个1pF的隔离电容进行信号耦合。 在调制端，输入放大器对输入电流和可切换电流源之间的差异进行积分。 假设 VIN 为 0V，积分器将沿一个方向斜升，直到超过比较器的阈值。 内部压控振荡器以 500kHz 的频率切换电流源，输出调制的数字电平差分地施加到势垒电容器。 同时，外部隔离电压为共模形式。 放大器在输出端检测到的差分信号作为另一个电流源来控制积分器A2的开关。 信号解调产生一个.VOUT，其平均值等于 VIN。 剩余的载波噪声经低通滤波器滤除后，成为隔离放大器的输出。

由于采用数字调制方式，隔离栅的性能不会影响模拟信号的完整性，因此可靠性高信号隔离器的作用，频率特性好。

光耦合器通过传输光信号来实现耦合。 输入和输出之间没有直接的电气连接。 它具有很强的隔离作用，在实际中应用广泛。 光耦器件具有非线性电流传输的特点。 如果直接用于模拟量的传输信号隔离器的作用，线性度和精度很差。 因此很多公司相继推出了线性光耦隔离放大器，比如BB的ISO100，就是用发光二极管（LED）耦合两个光电二极管，一路反馈到输入端，一路耦合到输出端。 经过激光调整仔细匹配，线性度和稳定性好。