×
×

电容断绝若那边理替换电机驱动中的关键挑衅

2019-10-17 13:51:30 源头:德州仪器
旌旗旗号以及电源断绝有助于确保替换电机驱动体系的波动运行,并维护操纵职员免受低压挫伤。


但并了始终是整个断绝技术都能餍足整个需要,尤为是在器件寿命以及温度功能方面。为解决替换(AC)电机构想挑衅,本白皮书比拟了德州仪器(TI)的基于电容的断绝技术以及激进的断绝技术,包罗断绝栅极驱动器在功率级、断绝电压、电流反馈或者管制?榻芯绞质淙。


甚么是替换电机驱动体系?

 
替换电机驱动是一种运用替换电输入的感到电动机,如图1所示,它可能驱动大型产业负载,譬如加热、透风、商业楼宇的空调、泵以及压缩机的运行。替换电机也能驱动须要调节速率的工场自动化以及产业器件负载,譬如传递带或者隧道掘进、采矿以及造纸设置装备排列。



图1.工场中带有替换电机驱动的感到电机

替换电机驱动接收替换能量,将其整流为直流母线电压,实现庞大的管制算法,而后基于负载需要通过历程庞大的管制算法将直流电转换回替换电。
 

 

 

图2所示为替换电机驱动体系的框图,其中功率级以及电源提供

标记为绿色。

替换电机驱动中的断绝


诸如替换电机驱动之类的电机驱动体系包罗高电压以及高功率品级;因此,必须接收步伐维护操纵职员以及整体体系的关键组件。
 

此外,也须要维护关键体系组件(譬如管制器以及通讯中心器件)免受电机驱动中的大功率以及低压电路的影响。
 

把柄海外电工委员会61800-5-1保险尺度的界说,可通过历程半导体集成电路(IC)在组件级举行断绝来实现电路之间的绝缘。
 

断绝ICs可在低压以及低压单元之间传输数据以及功率,同时可克服任何挫伤的直流电或者了始终受管制的瞬态电流。通常来讲,断绝器通过历程断绝栅在电路内提供所需的绝缘品级。断绝栅将低压与人可打仗的整机分开。
 

在替换电机驱动中实现断绝


构想职员在替换电机驱动中实现断绝隔栅时有多种取舍,但过去40年来,在体系中实现电流断绝的最通常运用器件了始终停是光耦合器,也称为光断绝器或者光电耦合器。虽然光耦合用具备资源效益且遍布具备,但其无奈供付与最新断绝模式划一水平的温度功能或者器件寿命。
 

TI的电容断绝技术在将二氧化硅(底子片上绝缘)用作电介质的电容电路中集成了增强的旌旗旗号断绝成果。与光耦合器了始终同,其可将断绝电路与其余电路集成在对抗芯片上。通过历程此工艺打造的断绝用具备牢靠性、防震性以及增强的断绝性,相称于单个封装中的两个基本断绝品级。
 

如下各部门交涉了替换电机驱动构想中与断绝干系的三个关键构想挑衅,同时还重点介绍了电容断绝相较于光耦合器的优势。
 

断绝功率级中的栅极驱动器


替换电机驱动的功率级中运用的功率转换器拓扑是用于传输千瓦至兆瓦范畴内功率的三相逆变器拓扑。这些逆变器将直流电源转换为替换电源。榜样的直流总线电压为600 V-1,200V。该三相逆变器运用六个断绝式栅极驱动器来翻开以及封闭电源开关(畸形为一组绝缘栅门极晶体管[IGBTs]或者IGBT?椋。由于其风雅的功能,构想职员最先运用恳豁带隙器件,譬如碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)或者?。
 

每一个相都运用通常处在20kHz至30kHz范畴内事变的高侧以及低侧IGBT开关,以交替模式向电机绕组施加正负低压直流脉冲。每一个IGBT或者SiC?榫傻ジ龆暇秸ぜ髑。栅极驱动器的低压输入与来自管制器的低压管制输入之间的断绝是发作电流的。栅极驱动器未来自管制器的脉冲宽度调制(PWM)旌旗旗号转换为用于场效应晶体管(FETs)或者IGBTs的栅极脉冲。此外,这些栅极驱动器须要具备集成的维护成果,譬如去饱以及感化、有源米勒钳位以及软关断。
 

断绝栅极驱动用具备双侧:低级侧(即输入级)以及次级侧(与FET毗邻)。低级侧有两种类型的输入级:基于电压以及基于电流的输入级。通过历程输入级,栅极驱动器可能毗邻到可能报告栅极驱动器在指定时间翻开或者封闭的管制器。
 

运用基于电流的输入级的光耦合器栅极驱动器通常在电机驱动运用中驱动IGBTs。基于电流的输入级通常具备较好的抗噪才气,因此须要在管制器以及光耦合器之间设置一个缓冲级。运用缓冲级的基于电流的输入级驱动器的功耗通常伊耸贾蔗更高。
 

激进光耦合器栅极驱动器确凿具备着一些挑衅:
 

输入级中的LED的功能会随着时间的推移而起飞,这会影响器件寿命,并大概导致传播耽误时间增长,进而影响体系功能。
 

它们较低的共模瞬变抗扰度(CMTI)限定了功率FETs的切换速率。
 

它们通常仅反对较低的事变温度范畴,因此很难创举出更紧凑的构想。
 

TI提供了运用电容断绝技术的断绝栅极驱动器,以帮手克服光耦合器中一些难得的构想费劲。
 


图3比拟了激进的光耦合器栅极驱动器与TI运用电容断绝的断绝栅极驱动器。TI的电容断绝栅极驱动用具备更高的CMTI额外值、更宽的事变温度范畴以及改造的计时范例,譬如,部件到部件的偏斜以及传播耽误。
 

 

 

 

图3.光耦断绝栅极驱动器(a)以及电容断绝栅极驱动器(b)的比拟
 

 

断绝电流以及电压反馈

替换电机驱动运用由电压以及电流反馈丈量值造成的闭环管制体系来管制替换电机的速率以及扭矩。由于电压以及电流反馈需在低压侧丈量,因此旌旗旗号必须与低压管制器侧断绝。

在电机的三相中的每一相上测患上的同轴相电流用于导出管制IGBTs的最佳PWM模式。这些同轴相电流丈量的精确性、噪声、带宽、耽误以及CMTI直接影响电机的扭矩以及速率输入曲线。

如图4所示,电容耦合断绝式放大器以及调制器以及光耦条约类产物比拟,具备更少的旌旗旗号传播耽误、更佳的CMTI以及更长的寿命以及牢靠性。

 

 

图4.断绝式放大器的示例(a);以及断绝式调制器(b)
 

 

图5所示为运用断绝式放大器举行基于分流的电流感到以及基于电阻分压器的电压感到的反馈感到环路的榜样框图。通过过水平流电阻器RSHUNT来实现对于相电流的丈量。
 

 

 

图5.实现榜样的电流以及电压反馈
 

 

与光耦合器比拟,TI的断绝式放大器反对极小的双向输入电压范畴,具备很高的CMTI以及整体精度。这些成果可在高噪声电机驱动状况中实现牢靠的电流感到。这些器件的高阻抗输入以及宽输入电压范畴使其极着实用于直流母线总线电压感到。
 

甚么是替换电机驱动体系?


替换电机驱动中的管制?榛谥拔恢醒敕蠢∧?榈氖淙、摹拟输入以及数字输入,担当电机驱动体系的旌旗旗号从事以及整体管制算法。这些数字输入畸形为来自现场传感器以及开关的24 V旌旗旗号,可转达紧急克服旌旗旗号(譬如保险扭矩封闭(STO))或者无关电机运行的音讯(譬如速率以及职位中央)。
 

与管制算法一起运历时,这些数字旌旗旗号输入将对于功率级举行任何须要调度,以实现指标输入。将管制?橛胧质淙攵暇煽朔接地电位差引起通讯缺陷。
 

虽然光耦合器已经用于断绝数字输入,然而数字断绝器技术的最复活长完备变革了体系构想职员构想数字输入的模式。
 

图6所示为用于断绝数字输入的光耦合器常认识决办理。该解决办理运用数个分立元件(9至15个)来实现电流限值以及受控电压阈值。

 

 

图6.榜样的光耦断绝数字输入解决办理
 

 

运用这种庞大的解决办理,电流限值可能远高于2 mA的指标电流限值,且在整体温度范畴内大概高达6 mA(详细取决于构想)。此外,光耦合器之后的施密特触发器缓冲器还为抗噪提供了滞后成果。图7所示为一种简化的解决办理,一种专用于数字输入运用的专用数字断绝器。接收TI电容性断绝技术的器件可实现《2.5 mA的电流限值。该解决办理无需施密特触发器来抗噪,仅需两个电阻(RSENSE以及RTHR)来设置所选的电流限值以及电压阈值。
 

 

 

图7.运用TI数字断绝器的断绝数字输入解决办理
 

 

与光耦合器比拟,基于电容的数字断绝模式的优势在于其具备更低的功耗。TI的数字断绝器的精确电流限值可将数字输入所引电流增多五分之一,从而大大起飞了功耗以及电路板温度。其余成果包罗具备通道间隔离成果的双通道选件,可帮手增多电路板空间,同时还提供低传播耽误以及4 Mbps数据速率,以反对STO输入。
 

用光耦合器反对STO输入须要高速光耦合器。与基于电容的数字断绝技术比拟,这种光耦合器代价低廉且运用寿命较短。
 

总结
 

不管您正在断绝功率级中的栅极驱动器、断绝电压或者电流反馈,还是断绝管制?橹械氖质淙,TI的基于电容的断绝技术都完备变革了替换电机驱动器的运用寿命以及温度恳求,且在了始终少状况下,此种技术提供了比光耦合器更紧凑的解决办理。


整个批判

X