工业电机驱动中的栅极驱动和电流反馈信号隔离

摘要

二十多年来,电机电能效率一直是全球能源监管机构关注的重点。这是全球共同努力的一部分,旨在通过增加 电能利用率以及使用可再生源发电,达到最大程度减少 碳排放的目的。早期的电机效率法规是自愿的,但很快 这些法规就变成强制性的了,并且每5至10年就会提高最 低能效水平要求。鼠笼式感应电机(SQIM)自人类普及用电 之后便一直是工业的主力军,因为它在直接连接三相交 流电源后便可开始工作。当前的IEC标准依据功率额定值 将这些电机的效率分为各种等级,范围从标准效率(IE1)到 超顶级效率(IE4)。今天, IE3顶级效率在世界上最大的工业 区内是强制标准,这些地区包括欧盟、美国、中国和日 本。厂商并没有抗拒这一变化,因为在电机的寿命期 间,电机的资本投入只是电费的一小部分。哪怕将顶级 效率电机替换为15  kW超顶级效率IE4电机,其额外的成本 也会在两年内通过节约的电费收回。电机效率要求的这 种趋势迫使很多设备制造商抛弃直接离线电机,转而使 用基于逆变器的解决方案。这些解决方案的各种架构以及驱动和信号隔离要求是本文所要讨论的主题。

SQIM制造商目前为止一直将更为严格的法规视为市场机遇。顶 级效率和超顶级效率电机的材料、设计、制造成本相比标准效 率电机更高, 但市场售价也更高。然而, 最新的效率分类等级 IE5和IE6将对电机制造商造成不少困扰。电机专家相信,要设计 线路连接式的SQIM来满足高于IE4的效率等级──尤其是较低功 率范围(de Almeida)──将会是十分困难且成本高昂的。极有可能 只有逆变器连接式电机才能满足IE5或更高的效率等级。永磁同 步电机(PMSM)通常用于超高效率应用,但稀土转子磁体的成本 和获取性是个问题。最新的轴向电机设计中使用铁氧体磁珠或 新的磁体材料, 这些材料是为满足不断增长的电动汽车市场而开发,可缓解这些问题。此外,人们正在考虑针对IE5效率等级 驱动(ABB)采用同步磁阻电机(SRM) 。SRM既没有转子绕组也没有 磁体, 能以较低的成本实现高效率, 框架尺寸与同等功率额定 值的SQIM相当。

逆变器和隔离

这种使用效率更高电机的趋势推动了基于IGBT的频率逆变器需求, 可将整流市电输入转换为驱动电机的各种频率电压。逆变 器控制型电机的输出扭矩或速度经优化后匹配轴负载,可最大 程度降低能耗和电机运行温度, 改善电机可靠性。此外, 其附 加控制功能有昌状态监控、功率计量和工厂网络连接,可提高 过程效率和可靠性。隔离技术是驱动系统中的关键因素,因 为它能安全地将控制器用户界面与连接逆变器的危险高电压相隔离。

有多种高等级因素会影响特定驱动中的隔离要求和架构, 这些 因素包括昌电机驱动性能等级、通信接口的复杂性、控制器架 构以及系统内的电压水平,如图1所示。

很多情况下, 关键的隔离节点是栅极驱动器和电机相位电流检 测电路。这两处均涉及与开关高电压有关的控制或测量信号,  并且至少包含某种形式的电平转换,很多时候还包括隔离(功能 隔离或安全隔离),以便施加或提取以地为参考的信号。

参见图2中的概念图;该图描述了单个逆变器相位臂,并标出了 高端栅极驱动器信号和相位分流检测信号的电平转换和潜在的 信号隔离要求。

隔离式栅极驱动器

由图2还能看出一个隔离栅极驱动器的基本要求, 包括昌逻辑 电平开关信号的功能或安全隔离,以及可驱动IGBT栅极电压通 过开启和关断阈值的输出驱动器( 以便在最短时间间隔内开关 IGBT,从而最大程度减少设备的导通损耗、开关损耗和EMI) 。 在三相逆变器中, IGBT以相反方向进行控制,以便高端和低端 IGBT始终无法同时导通,哪怕时间很短。这就要求在高端和低 端开关信号之间插入一个小的死区时间片段。最大程度缩短这个死区时间段无论对系统性能还是对IGBT保护而言都非常重要 (O’Sullivan)。

图1. 电机控制架构


图2. 三相逆变器臂参考信号

IGBT导通要求IGBT驱动至饱和区域,在该区域中导通损耗最低。这通常意味着导通电压要大于12 V 。IGBT关断要求IGBT驱动至工 作截止区域,以便在高端IGBT导通时成功阻隔两端的反向高电 压。原则上讲,可以通过使IGBT栅极发射极电压下降至0 V实现该 目标。但是, 必须考虑高端晶体管导通时的副作用。开关节点电压的快速变化导致瞬态感应电流流过低端IGBT寄生密勒电容 (图3中的CGD)。该电流流过低端栅极驱动器(图3中的ZDRIVER)关断阻 抗,在低端IGBT栅极发射极端创造出一个瞬变电压反弹,如图所示。如果该电压上升至IGBT阈值电压VTH 以上,则会导致低端 IGBT的短暂导通,从而形成瞬态冲击电流,流过逆变器臂,增加功耗,影响可靠性。

图3.IGBT开关的米勒效应

一般而言,有两种方法可以解决逆变器IGBT 的感应导通问 题──使用双极性电源和/或额外的米勒箱位。在栅极驱动器 隔离端接收双极性电源的能力为感应电压瞬变提供了额外的裕 量。例如, −7.5 V负电源轨表示需要大于8.5 V的感应电压瞬变才 能感应杂散导通。这足以防止杂散导通。另一种方法是在完成 关断转换后的一段时间内降低栅极驱动器电路的关断阻抗。这 称为米勒箱位电路。容性电流现在流经较低阻抗的电路, 随后 降低电压瞬变的幅度。针对导通与关断采用非对称栅极电阻,  便可为开关速率控制提供额外的灵活性。所有这些栅极驱动器 功能都对整个系统的可靠性与效率有正面影响。

电机驱动中的过流保护通常在多个等级内部署。驱动保护方案 中可能包含持续过流和瞬时过流的区别, 而这些过流事件具有 不同的跳变电平和时间常数。这类过流保护通常基于电流测量 进行部署。对于极快速和可能会有灾难性后果的过流事件中(比 如逆变器输出短路),在栅极驱动器中集成快速响应保护机制可 能会非常有用。 IGBT导通时,通过监控IGBT集电极发射极电压便 可实现去饱和保护。 IGBT饱和时,通态电压是IGBT内电流电平的 函数, 并且该保护功能可以设计成触发一次故障, 然后在通态电压升高至超出可接受电平时快速关断IGBT。有一段短暂的消 隐时间,期间保护电路不监控IGBT的通态电压。这是为了防止导通时由于集电极发射极电压瞬变和/或导通事件中的瞬变过流 而引起误触发。

ADI隔离式栅极驱动器ADUM4135集成双极性电源能力、米勒箱 位、非对称导通和关断输出。此外,传播延迟和更重要的传播 延迟偏斜典型值分别为业界领先的50 ns和15 ns。降低死区时间 对系统的影响如图4所示;图中,低电机速度的逆变器输出线对 线电压以两个不同的死区时间水平表示。与光耦合器技术有关 的更高死区时间要求导致更高的电机电压和电流失真。这样便 会增加扭矩纹波和振动从而导致性能下降, 并且由于谐波损耗 增加而降低效率。这些失真效应在逆变器应用中尤为明显, 控 制环路性能相对较低; 然而,哪怕在高性能驱动以及高带宽电 流和速度控制中, 死区时间相关的失真也会成为极低速性能的限制因素。

隔离电流检测

对于分流式测量而言, 电机相位电流检测节点与栅极驱动器输 出连接相同的电路,如图2所示。因此,它们具有相同的隔离电 压和开关瞬变。相位电流检测对于高性能闭环电机控制而言极 为重要, 并且不容易在恶劣、充满电气噪声的环境中实现高保 真测量。在较高功率系统中,使用自身提供隔离功能的隔离电 流传感器(比如电流互感器或霍尔效应传感器);而在较低功率系 统中,趋势是使用带有隔离式Σ-Δ型调制器(比如ADI AD7403)的分 流电阻。以前的系统通常使用去饱和栅极驱动器功能来实现短 路过流保护(如上文所述),而之后基于隔离式调制器的电流检测 方案可能通过快速粗调数字滤波器直接实现此功能(O’Byrne)。这 便要求隔离式调制器响应和栅极驱动器的低传播延迟同时具备 精确时序; ADI的iCoupler®技术可以做到这一点,而传统基于光 耦合器的解决方案容易受到较长的传播延迟影响。

图4.(a) 500 ns死区时间以及(b) 1μs死区时间测得的线对线电机电压

法规环境

开发出符合所需性能的驱动架构之后,系统必须设计并符合业 界电气安全标准。要选择合适的隔离元件,必须了解栅极驱动 器和电流检测节点的隔离要求。每个节点都可以采用安全隔离 (加强)、基本绝缘或功能绝缘。任意单个节点的要求可以是安全 绝缘以防止电击,也可以采用隔离以保护低压电路,或者采用 隔离来实现数据完整性和降噪,如图1所示。系统级要求可以通 过使用多个隔离栅实现。 IEC61800-5-1是已实施很长一段时间的 系统级电机驱动标准,驱动设计必须满足该系统绝缘标准。

无论何种标准,都不涉及元件评估。 IEC61800-5-1建议使用支持 系统标准要求的元件级标准。 IEC60747-5-5针对基于光耦合器的 元件,而VDE-0884-10是IEC60747-5-5的非光隔离器版本,针对数 字隔离器,于2006年开始实施。之后开发了VDE-0884-11并于 2014 年认证通过,包含额外的寿命特性要求。该标准作为 IEC60747 - 17 提交给IEC 认证,通常需要三年。在此期间,VDE-0884-11可用作IEC的等效标准,如图5所示。

图5. 非光隔离器标准的演进

结论

新的电机能效国际法规加速了从固定速度、直接在线感应电机 到逆变器控制式机器的转变。通常要求至少采用IGBT栅极驱动 和某种形式的电流检测来保护从简单的开环逆变器到驱动和伺 服中的高保真电流控制。这些电路的技术要求正不断将重点放 在精确时序和精确测量上,以及可靠性和鲁棒性上。在法规框 架内实现系统设计部署对于信号隔离提出了重大挑战。

参考文献

ABB.“ABB’s  new  SynRM²  Motor  Technology  will  Deliver  IE5  Efficiency Without Rare Earth Magnets (ABB的SynRM²电机技术无需稀土永磁体 将能提供IE5效率)。” ABB 新闻稿。. 2014年4月3日。

de Almeida, A.T.  F.  J.  T.  E.  Ferreira和 G. Baoming.“Beyond Induction Motors─Technology Trends to Move Up Efficiency (超越感应电机── 提升效率的技术发展趋势)。”IEEE工业应用汇刊, 第50卷, 第3 期, 2014年5/6月。

O’Byrne, N。“适用于工业运动控制的测量技术”。ADI 公司, 2014年。
O’Sullivan, D和M. Moroney。“利用数字隔离器技术增强工业电机控 制性能”。ADI公司, 2014年。

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