交流电压电机驱动的数字隔离

概要

隔离是交流电压电机驱动的一个组成部分。电气隔离的方法有很多。——主要采用光耦和数字隔离器。与传统光耦合器相比，使用数字隔离器有几个优势，包括成本更低、元件更少和可靠性更高。在传统电机控制器设计的基础上，比较了几种隔离方法，突出了数字隔离器的优势。

光耦合器和数字隔离器的背景知识

光耦合器利用发光二极管发出的光通过隔离栅将数据传输到光电二极管。当发光二极管打开和关闭时，电隔离光电二极管的一端将产生逻辑高和逻辑低信号。光耦合器的速度与光电二极管检测器的速度和对其二极管电容充电的时间直接相关。提高速度的一种方法是增加LED电流，但代价是功耗的增加。

而基于变压器的数字隔离器通过变压器将数据磁耦合通过隔离栅。变压器电流脉冲通过一个线圈，形成一个小的局部磁场，从而在另一个线圈中产生感应电流。变压器的传输速率自然比光耦快很多。此外，变压器采用差分架构，对共模瞬变具有出色的抗扰度。此外，由于数字隔离器基于变压器，光耦合器基于LED，因此数字隔离器的可靠性/MTTF比光耦合器好得多。

电机驱动设计中的隔离

图1为Boston Engineering CorporaTIon()开发的高压FlexMC电机控制驱动的框图，可与ADSP-CM40x混合信号控制处理器接口。它接收通用交流输入，提供功率因数校正(PFC)前端，驱动永磁同步电机(PMSM)，并为运行在ARM？皮层？-M4混合信号控制处理器ADSP-CM40x和16位高精度模拟前端。中间部分是隔离栅，位于高压电力电子元件和控制器之间。电机电源电子元件高电压电位浮动，而ADSP-CM40x处理器接地，需要隔离。本文将讨论如何选择数字隔离器而不是光耦合器来改进设计。

图1。电机控制框图

在闭环电机控制设计中，两个关键硬件部件是脉宽调制(PWM)控制器输出和电机相电流反馈。这些信号(如框图所示)通过隔离栅。此外，隔离器的使用也有利于其他几项功能，包括数字通信和低电压、低功耗以及隔离式DC-DC转换。

脉宽调制隔离

脉宽调制(PWM)是所有电机驱动的核心。一般开关频率在10 khz到20 khz之间。在优化控制性能时，脉宽、死区时间和通道间延迟的精确控制非常重要。在为脉宽调制控制信号选择合适的隔离器件时，数字隔离器在性能和成本方面远远优于同等水平的光耦合器选项(参见表1进行比较)。

表1 .脉宽调制数字隔离器与光耦合器的比较

例如，控制器将在开关信号之间引入死区时间，以防止任何一对高端和低端晶体管同时导通(即通过)。死区时间是电源开关打开和关闭延迟的不确定性以及隔离电路引起的延迟的函数。ADuM1310数字隔离器的通道间匹配时间仅为2 ns，光耦合器的匹配时间高达500 ns。使用数字隔离器可以大大减少死区时间，从而提高功率逆变器的性能。此外，如对比表所示，除了性能之外，ADuM1310是一种更集成的解决方案，可以减少元件数量和材料成本。电机相电流大多数先进的电机驱动优先考虑电机相电流反馈。为了提供连续反馈，超低电阻分流电阻与电机相串联。然而，这将增加电路的复杂性，因为需要测量毫伏级信号和以快速dv/dt高频切换的100伏级共模电压摆幅。在本设计中，两个AD7401A隔离式 -调制器用于测量电机绕组电流，数字比特流由ADSP-CM40x上的数字滤波电路处理。ADSP-CM40x的内置sinc滤波器允许与隔离式 -调制器无缝连接。第三相电流可以根据其他两相电流进行数学计算，以降低功耗和元件成本。AD7401A在单个封装中集成了差分采样保持级、 -调制器和数字隔离机制。高压端的模拟信号被转换成数字串行数据流，然后通过隔离栅传输到低压端。

AD7401A还包含一个时钟输入引脚，只需一个时钟源即可同时测量每个器件。如表2所示，市场上确实有集成度和成本类似的光耦合器。但是数字隔离器技术的性能在功耗、速度和可靠性方面还是比较突出的，这与器件基础设施有关，更不用说AD7401A出色的调制器性能了。

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表2. 相位电流数字隔离器与光耦合器比较

数字通信

I2C是一款双线、多分支通信接口，通常用于为控制器提供数字或模拟I/O扩展能力。这种方法通常是定期监控或更新的“一般管理”类功能的预留方法。FlexMC高电压电路板采用一个I2C接口来与PFC控制器进行通信，同时以一个ADC来监控总线电压、总线电流和IGBT温度。相反，没有一款光耦合器能够单独提供I2C隔离能力。结果，如表3所示，ADuM1250在成本、尺寸、元件数量和性能方面都是比光耦合器更具优势的I2C隔离选择。ADuM1250允许ADSP-CM40x控制器仅仅使用一个双线外设接口通过一个隔离器对高电压端的所有这些功能进行监控。

表3. I2C数字隔离器与光耦合器的比较

隔离电源

数字隔离器技术给这种设计带来的另一优势在于可以产生超低电平的隔离电源。两个ADuM5000器件用于产生5 V隔离电源，具备最高500 mW的功率输出能力。这些用于驱动Σ-Δ转换器的模拟端，后者会随快速变化的电机电压而浮动。这些隔离电源与数据隔离器采用相同的技术，因此，它们都内置了一个开关频率为180 MHz的变压器。这一频率比标准DC-DC转换器高出三个数量级，因而允许大幅缩减尺寸。ADuM5000器件采用SOIC-16封装，是提供低功率隔离电压的一种简便方案。

作者简介:

Gaetano (Guy) Fichera是Boston Engineering CorporaTIon电子产品部总监()。Boston Engineering CorporaTIon是一家工程咨询服务公司，面向商业和政府机构设计开发新一代产品解决方案。我们提供跨学科的工程团队，能够为客户提供从概念验证到整个产品生命周期的帮助指导。我们凭借从机器人到复杂的机电系统及供应链开发的专业力量，尽力帮助客户解决每天面对的难题，自身也在不断成长壮大。