隔離是交流電壓電機驅(qū)動器不可或缺的一部分。提供電氣隔離的方法有幾種，主要使用光耦合器和數(shù)字隔離器。與傳統(tǒng)光耦合器相比，使用數(shù)字隔離器具有多種優(yōu)勢，其中包括降低成本、減少元件數(shù)量和提高可靠性。本文將比較傳統(tǒng)電機控制器設(shè)計中的隔離方法，以突出數(shù)字隔離器的優(yōu)勢。

光耦合器與數(shù)字隔離器背景

光耦合器利用來自LED的光將數(shù)據(jù)穿過隔離柵傳輸?shù)?a target="_blank">光電二極管。當(dāng)LED被驅(qū)動打開和關(guān)閉時，邏輯高電平和低電平信號在電隔離光電二極管側(cè)產(chǎn)生。光耦合器的速度與檢波器光電二極管的速度和為其二極管電容充電所需的時間直接相關(guān)。提高速度的一種方法是增加LED電流，但這是以增加功耗為代價的。

相比之下，基于變壓器的數(shù)字隔離器使用變壓器跨越隔離柵對數(shù)據(jù)進行磁耦合。變壓器通過線圈脈沖電流，產(chǎn)生一個小的局部磁場，在另一個線圈中感應(yīng)電流。變壓器的傳輸速度本質(zhì)上比光耦合器快得多。變壓器也是差分的，具有出色的共模瞬態(tài)抗擾度。此外，由于數(shù)字隔離器基于變壓器，而光耦合器基于LED，因此數(shù)字隔離器的可靠性/MTTF明顯優(yōu)于光耦合器。

電機驅(qū)動設(shè)計中的隔離

圖1提供了波士頓工程公司開發(fā)的高壓FlexMC電機控制驅(qū)動器的框圖，該驅(qū)動器與ADSP-CM40x混合信號控制處理器接口。該驅(qū)動器接收通用交流輸入，提供功率因數(shù)校正（PFC）前端，并驅(qū)動永磁同步電機（PMSM），同時為ADSP-CM40x（ARM Cortex）上運行的有傳感器或無傳感器控制提供必要的反饋調(diào)理。??-M4混合信號控制處理器，具有16位高精度模擬前端。中心是高壓電力電子設(shè)備和控制器之間的隔離柵。電機電力電子器件在高壓電位下浮動，而ADSP-CM40x處理器以地為基準(zhǔn)，因此需要隔離。本文將探討選擇數(shù)字隔離器而不是光耦合器如何改善這種設(shè)計。

圖1.電機控制框圖。

閉環(huán)電機控制設(shè)計的兩個關(guān)鍵硬件要素是脈寬調(diào)制 （PWM） 控制器輸出和電機相電流反饋。如框圖所示，這些信號通過隔離柵。此外，隔離器還具有其他幾種功能，包括數(shù)字通信和低電壓、低功耗、隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換。

脈寬調(diào)制隔離

功率級的脈寬調(diào)制是所有電機驅(qū)動的核心。開關(guān)頻率通常在 10 kHz – 20 kHz 范圍內(nèi)。在優(yōu)化控制性能時，精確控制脈沖寬度、死區(qū)時間和通道間延遲至關(guān)重要。在為PWM控制信號選擇合適的隔離器件時，數(shù)字隔離器在性能和成本方面比同類光耦合器選項具有顯著優(yōu)勢（參見表1所示的比較表）。

例如，控制器在開關(guān)信號之間引入死區(qū)時間，以防止任何高邊和低邊晶體管對同時導(dǎo)通（即直通）。區(qū)時間是電源開關(guān)開/關(guān)延遲和隔離電路引入的延遲不確定性的函數(shù)。ADuM1310數(shù)字隔離器提供的通道間匹配僅為2ns，而光耦合器為500 ns。利用數(shù)字隔離器可以大大減少死區(qū)時間，從而提高電源逆變器的性能。此外，從比較表中可以看出，除了性能之外，ADuM1310還提供集成度更高的解決方案，從而減少了元件數(shù)量和BOM成本。

電機相電流

大多數(shù)先進的電機驅(qū)動器利用電機相電流作為主要反饋。為了提供連續(xù)反饋，極低電阻分流電阻器與電機相位串聯(lián)。然而，這增加了嘗試測量毫伏級信號和數(shù)百伏共模電壓擺幅的復(fù)雜性，這些共模電壓擺幅以快速dv/dt在高頻下切換。在本設(shè)計中，使用兩個AD7401A隔離式Σ-Δ調(diào)制器測量電機繞組電流，然后通過ADSP-CM40x上的數(shù)字濾波電路處理數(shù)字比特流。ADSP-CM40x上的內(nèi)置sinc濾波器允許與隔離式Σ-Δ調(diào)制器無縫連接。第三相電流可以通過數(shù)學(xué)方式從其他兩個相電流推導(dǎo)出來，以節(jié)省功耗和元件成本。AD7401A集成一個差分采樣保持級、一個Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字隔離，全部集成在單個封裝中。高壓側(cè)模擬信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字串行數(shù)據(jù)流，然后通過隔離柵傳輸?shù)降蛪簜?cè)。AD7401A還內(nèi)置一個時鐘輸入引線，允許使用單個時鐘源同時對每個器件進行測量。如表2所示，存在具有類似集成度和成本的光耦合器，但除了AD7401A的出色調(diào)制器性能外，基于器件的基本結(jié)構(gòu)，數(shù)字隔離器技術(shù)仍可提供更好的功耗、速度性能和可靠性。

數(shù)字通信

I2C 是一種雙線、多點通信接口，通常用于為控制器提供數(shù)字或模擬 IO 擴展功能。這種方法通常保留用于定期監(jiān)控或更新的“內(nèi)務(wù)管理”類型的功能。FlexMC 高壓板使用 I2C 接口，用于與 PFC 控制器以及監(jiān)控總線電壓、總線電流和 IGBT 溫度的 ADC 通信。ADuM1250允許ADSP-CM40x控制器通過單個隔離器僅利用兩線外設(shè)接口監(jiān)控高壓側(cè)的所有這些功能。相比之下，沒有單個光耦合器器件可以提供I2C 隔離。因此，如表3所示，ADuM1250是I的光耦合器選項的明確選擇。2出于成本、尺寸、元件數(shù)量和性能的原因，C 隔離。

隔離電源

使用數(shù)字隔離器技術(shù)使這種設(shè)計受益的另一個領(lǐng)域是產(chǎn)生極低電平的隔離電源。兩個ADuM5000器件用于產(chǎn)生隔離式5 V電源，功率輸出能力高達500 mW。它們用于為Σ-Δ轉(zhuǎn)換器的模擬側(cè)供電，該轉(zhuǎn)換器隨快速變化的電機電壓浮動。這些隔離電源使用與數(shù)據(jù)隔離器相同的技術(shù)，因此它們具有一個開關(guān)頻率為180 MHz的內(nèi)部變壓器。該頻率比標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器高三個數(shù)量級，尺寸要小得多。ADuM5000器件是一種在SOIC-16封裝中提供低功耗隔離電壓的簡單方法。

審核編輯：郭婷