雖然隔離是很重要的係統考慮，但它也存在缺點：會(hui)提(ti)高(gao)功(gong)耗(hao)
，跨(kua)過(guo)隔(ge)離(li)柵(zha)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)會(hui)產(chan)生(sheng)延(yan)遲(chi)
，而(er)且(qie)會(hui)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)。係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)傳(chuan)統(tong)上(shang)求(qiu)助(zhu)於(yu)光(guang)隔(ge)離(li)方(fang)案(an)

，多(duo)年(nian)來(lai)，它(ta)是(shi)係(xi)統(tong)隔(ge)離(li)的(de)當(dang)然(ran)選(xuan)擇(ze)。最(zui)近(jin)十(shi)年(nian)來(lai)，基(ji)於(yu)磁(ci)性(xing)(變壓器傳輸)方法的數字隔離器提供了一種可行且在很多時候更優越的替代方案；從係統角度考慮
，它還具備係統設計師可能尚未認識到的優點。

 

本文將討論這兩種隔離解決方案
，重點論述磁隔離對延遲時序性能的改善
，以及由此給電機控製應用在係統層麵帶來的好處。

 

 

光耦利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。發送側包括一個LED，高電平信號開啟LED，低電平信號關閉LED。接收側利用光電檢測器將接收到的光信號轉換回電信號。隔離由LED與光電檢測器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通常基於聚合物)予以增強。

 

圖1. 光耦結構

 

光耦的最大缺點之一是：LED老化，會使傳輸特性漂移

；設計人員必須考慮這一額外問題。LED老化導致時序性能隨著時間和溫度而漂移。因此，信號傳輸和上升/下降時間會受影響
，使設計複雜化
，尤其是考慮到本文後麵要處理的問題。

 

光(guang)耦(ou)的(de)性(xing)能(neng)擴(kuo)展(zhan)也(ye)是(shi)受(shou)限(xian)的(de)。為(wei)了(le)提(ti)高(gao)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)
，必(bi)須(xu)克(ke)服(fu)光(guang)耦(ou)固(gu)有(you)的(de)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)問(wen)題(ti)，該(gai)問(wen)題(ti)會(hui)導(dao)致(zhi)功(gong)耗(hao)升(sheng)高(gao)。寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)還(hai)會(hui)提(ti)供(gong)耦(ou)合(he)機(ji)製(zhi)，導(dao)致(zhi)基(ji)於(yu)光(guang)耦(ou)的(de)隔(ge)離(li)器(qi)件(jian)的(de)CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣於競爭方案。

 

磁隔離器(基於變壓器)已大規模應用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類隔離器基於標準CMOS技術

，采用磁傳輸原理，隔離層由聚酰亞胺或二氧化矽構成
，如圖2suoshi。didianpingdianliuyimaichongfangshitongguoxianquanchuanshu

，chanshengyigecichang，cichangchuanguogelizha
，zaigelizhalingyicededierxianquanzhongganshengyigedianliu。youyucaiyongbiaozhunCMOS結構
，其在功耗和速度方麵具有明顯優勢
，而且不存在光耦合器相關的壽命偏差問題。此外，基於變壓器的隔離器的CMTI性能優於基於光耦合器的隔離器。

 

圖2. 磁性變壓器結構

 

基於變壓器的隔離器還允許使用常規的信號處理模塊(防止傳輸雜散輸入)和高級傳輸編解碼機製。這樣就可以實現雙向數據傳輸
，使用不同編碼方案來優化功耗與傳輸速率的關係，以及將重要信號更快速、更一致地傳輸到隔離柵另一端。

 

 

所有隔離器的一個重要但常常被輕視的特性是其傳輸延遲。此特性衡量信號(可以是驅動信號或故障檢測信號)沿(yan)任(ren)一(yi)方(fang)向(xiang)跨(kua)過(guo)隔(ge)離(li)柵(zha)所(suo)需(xu)的(de)時(shi)間(jian)。技(ji)術(shu)不(bu)同(tong)，傳(chuan)輸(shu)延(yan)遲(chi)差(cha)別(bie)很(hen)大(da)。通(tong)常(chang)提(ti)供(gong)的(de)是(shi)典(dian)型(xing)延(yan)遲(chi)值(zhi)，但(dan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)特(te)別(bie)關(guan)注(zhu)最(zui)大(da)延(yan)遲(chi)，它(ta)是(shi)設(she)計(ji)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)重(zhong)要(yao)特(te)性(xing)。表(biao)1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅動器的傳輸延遲和延遲偏差值示例。

 

表1： 光耦合器和磁隔離器的典型延遲特性

 

如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重複性(偏差)方(fang)麵(mian)優(you)勢(shi)明(ming)顯(xian)。這(zhe)樣(yang)，電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)對(dui)設(she)計(ji)將(jiang)更(geng)有(you)信(xin)心(xin)，無(wu)需(xu)增(zeng)加(jia)時(shi)序(xu)裕(yu)量(liang)以(yi)滿(man)足(zu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)特(te)性(xing)。對(dui)於(yu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)和(he)安(an)全(quan)，這(zhe)都(dou)有(you)著(zhe)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。

 

 

圖3顯示了交流電機控製應用中采用的典型三相逆變器。該逆變器由直流母線供電
，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產生。在大部分工業應用中，直流母線電壓在300 V至1000 V範圍內。采用脈寬調製(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機端子上產生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。

 

圖3. 電機控製應用中的三相逆變器

 

PWM信號(如PWMaH和PWMaL)在電機控製器(一般用處理器和/或FPGA實現)中(zhong)產(chan)生(sheng)。這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)一(yi)般(ban)是(shi)低(di)壓(ya)信(xin)號(hao)
，與(yu)處(chu)理(li)器(qi)共(gong)地(di)。為(wei)了(le)正(zheng)確(que)開(kai)啟(qi)和(he)關(guan)閉(bi)功(gong)率(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)，邏(luo)輯(ji)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)平(ping)和(he)電(dian)流(liu)驅(qu)動(dong)能(neng)力(li)必(bi)須(xu)被(bei)放(fang)大(da)， 另外還必須進行電平轉換
，從而以相關功率晶體管發射極為接地基準。根據處理器在係統中的位置
，這些信號可能還需要安全絕緣。

 

柵極驅動器(如圖3中的GDRVaL和GDRVaH)執行這種功能。每個柵極驅動器IC都需要一個以處理器地為基準的原邊電源電壓和一個以晶體管發射極為基準的副邊電源。副邊電源的電壓電平必須能夠開啟功率晶體管(通常為15 V)
，並有足夠的電流驅動能力來給晶體管柵極充電和放電。

 

 

功率晶體管有一個有限的開關時間，因此，上橋和下橋晶體管之間的脈寬調製波形中必須插入一個死區時間，如圖4所示。這是為了防止兩個晶體管意外同時接通，引起高壓直流母線短路，進而造成係統故障和/或損壞風險。死區時間的長度由兩個因素決定：晶體管開關時間和柵極驅動器傳輸延遲失配(包括失配的任何漂移)。換言之，死區時間必須考慮PWM信號從處理器到上橋和下橋柵極驅動器之間的晶體管柵極的任何傳輸時間差異。

 

圖4. 死區時間插補

 

死區時間會影響施加到電機的平均電壓
，尤其是在低速運轉時。實際上，死區時間會帶來以下近似恒定幅度的誤差電壓：

 

 

其中
，為誤差電壓，為死區時間，和為晶 體管開啟和關閉延遲時間，為PWM開關周期

，為直流母線電壓


，為功率晶體管的導通狀態壓降，為二極管導通電壓。

 

當dang一yi個ge相xiang電dian流liu改gai變bian方fang向xiang時shi

，誤wu差cha電dian壓ya改gai變bian極ji性xing，因yin此ci
，當dang線xian路lu電dian流liu過guo零ling時shi，電dian機ji線xian間jian電dian壓ya發fa生sheng階jie躍yue變bian化hua。這zhe會hui引yin起qi正zheng弦xian基ji波bo電dian壓ya的de諧xie波bo，進jin而er在zai電dian機ji中zhong產chan生sheng諧xie波bo電dian流liu。對dui於yu開kai環huan驅qu動dong采cai用yong的de較jiao大da低di阻zu抗kang電dian機ji，這zhe是shi一yi個ge特te別bie重zhong要yao的de問wen題ti，因yin為wei諧xie波bo電dian流liu可ke能neng很hen大da，導dao致zhi低di速su振zhen動dong

、扭矩紋波和諧波加熱。

 

在以下條件下
，死區時間對電機輸出電壓失真的影響最嚴重：

 

 

disugongzuohenzhongyao
，yinweizhengshizaizhezhongmoshixia
，shijiadedianjidianyazairenheqingkuangxiadoufeichangdi，siqushijiandaozhidewuchadianyakenengshisuoshijiadianjidianyadehendayibufen。ciwai
，wuchadianyadaozhideniuqudoudongdeyingxianggengyouhai，yinweiduixitongguanxingdelvbozhiyouzaijiaogaosuduxiacaikeyong。

 

zaisuoyouzhexiecanshuzhong，siqushijianchangdushiweiyishougelishizhajiqudongqijishuyingxiangdecanshu。siqushijianchangdudeyibufenshiyougonglvjingtiguandekaiguanyanchishijianjuedingde，danqiyubufenyuchuanboyanchishipeiyouguan。zaizhefangmian
，guanggeliqixianranburucigelijishu。

 

 

為了說明死區時間對電機電流失真的影響，下麵給出了基於三相逆變的開環電機驅動的結果。逆變器柵極驅動器采用ADI公司的磁隔離器(ADuM4223ADuM4223)

， 直接驅動IR的IRG7PH46UDPBF 1200 V IGBT。直流母線電壓為700 V。逆變器驅動開環V/f控製模式下的三相感應電機。利用阻性分壓器和分流電阻
，並結合隔離式∑–∆ 調製器(同樣是來自ADI公司的AD7403)，分別測量線電壓和相電流。各調製器輸出的單位數據流被送至控製處理器(ADI公司的ADSP-CM408)的sinc濾波器，數據在其中進行濾波和抽取後，產生電壓和電流信號的精確表示。

 

sinc數字濾波器輸出的線電壓實測結果如圖5所示。實際線電壓為10 kHz的高開關頻率波形
，但它被數字濾波器濾除，以便顯示我們感興趣的低頻部分。相應的電機相電流如圖6 所示。

 

圖5. 實測線間電機電壓：(左)500 ns死區時間
；(右)1 µs死區時間

 

圖6. 實測電機電流：(左)500 ns死區時間
；(右)1µs死區時間

 

ADuM4223柵極驅動器的傳輸延遲失配為12 ns，因此可以使用IGBT開關所需的絕對最短死區時間。對於IR IGBT
，最短死區時間可設置為500 ns。從左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。右圖顯示死區時間提高到1 µsshidexiandianyahexiangdianliu。cizhigengnengdaibiaoguangouhezhajiqudongqidexuqiu，yinweiqichuanboyanchishipeihepiaoyigengda。dianyahedianliudeshizhenjunyoumingxianzengjia。zhezhongqingkuangshiyongdeganyingdianjishixiangduijiaoxiaodegaozukangdianji。zaigenggaogonglvdezhongduanyingyongzhong，ganyingdianjizukangtongchangyaodideduo
，daozhidianjidianliushizhenheniujuwenbozengjia。niujuwenbozaihenduoyingyongzhongdouhuichanshengyouhaiyingxiang，liru：電梯乘坐舒適度下降或機械係統中的軸承/聯軸器磨損。

 

 

現代柵極驅動器的另一個重要問題是處理器發出的關斷命令能以多快的速度在IGBT上實現。這對於以下情況中的過流關斷很重要：過流檢測不是柵極驅動器本身的一部分
，而是作為檢測與濾波電路的一部分加以實現。這方麵的另一個壓力是更高效率IGBT的短路耐受時間縮短。對此
，IGBT技術的趨勢是從業界標準10µs縮短到5 µs甚至更短。如圖7所示，過流檢測電路通常需要數微秒時間來鎖存故障；為了順應總體發展趨勢
，必須采取措施來縮短這一檢測時間。該路徑中的另一主要因素是從處理器/FPGA輸出到IGBT柵極(柵極驅動器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相對於光學器件有明顯優勢，原因是前者的傳播延遲值非常小，通常在50 ns左右，不再是影響因素。相比之下
，光耦合器的傳播延遲在500 ns左右
，占到總時序預算的很大一部分。

 

圖7. 故障關斷時序

 

電機控製應用的柵極驅動器關斷時序如圖8所示，其中處理器的關斷命令跟在IGBT柵極發射極信號之後。從關斷信號開始到IGBT柵極驅動信號接近0的總延遲僅有72 ns。

 

圖8. 過流關斷柵極驅動器時序

 

 

隨著人們更加關注係統性能
、效xiao率lv和he安an全quan，電dian機ji控kong製zhi架jia構gou師shi在zai設she計ji穩wen健jian係xi統tong時shi麵mian臨lin著zhe日ri益yi複fu雜za的de挑tiao戰zhan。基ji於yu光guang耦ou合he器qi的de柵zha極ji驅qu動dong器qi是shi傳chuan統tong選xuan擇ze
，但dan基ji於yu變bian壓ya器qi的de解jie決jue方fang案an不bu僅jin在zai功gong耗hao、速度、時(shi)間(jian)穩(wen)定(ding)性(xing)上(shang)更(geng)具(ju)優(you)勢(shi)，而(er)且(qie)如(ru)本(ben)文(wen)所(suo)述(shu)
，由(you)於(yu)信(xin)號(hao)延(yan)遲(chi)縮(suo)短(duan)

，其(qi)在(zai)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)和(he)安(an)全(quan)方(fang)麵(mian)也(ye)有(you)明(ming)顯(xian)優(you)勢(shi)。這(zhe)使(shi)得(de)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)在(zai)防(fang)止(zhi)上(shang)橋(qiao)和(he)下(xia)橋(qiao)開(kai)關(guan)同(tong)時(shi)接(jie)通(tong)的(de)同(tong)時(shi)，有(you)把(ba)握(wo)地(di)縮(suo)短(duan)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)
，改(gai)善(shan)係(xi)統(tong)性(xing)能(neng)。此(ci)外(wai)，它(ta)還(hai)支(zhi)持(chi)對(dui)係(xi)統(tong)命(ming)令(ling)和(he)錯(cuo)誤(wu)作(zuo)出(chu)更(geng)快(kuai)速(su)的(de)響(xiang)應(ying)，這(zhe)同(tong)樣(yang)能(neng)增(zeng)強(qiang)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)並(bing)提(ti)高(gao)安(an)全(quan)性(xing)。鑒(jian)於(yu)這(zhe)些(xie)優(you)勢(shi)，基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)已(yi)成(cheng)為(wei)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)的(de)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)選(xuan)擇(ze)

；強烈建議係統設計人員在設計下一個項目時，把器件延遲作為一項重要要求。

 

本文轉載自亞德諾半導體。