作者：Dara O’Sullivan and Nicola O'Byrne

二十多年來(lái)，電動(dòng)機(jī)能源效率一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。這是全球努力的一部分，旨在通過(guò)提高電力使用效率和使用可再生能源轉(zhuǎn)換一些能源來(lái)最大限度地減少碳排放。早期的電機(jī)效率法規(guī)是自愿的，但很快，這些法規(guī)成為強(qiáng)制性的，最低效率水平每 5 到 10 年增加一次。自電力普遍可用以來(lái)，鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī) （SQIM） 一直是該行業(yè)的主力，因?yàn)樗谥苯舆B接到三相交流電源時(shí)會(huì)啟動(dòng)和運(yùn)行。當(dāng)前的IEC標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)額定功率將這些電機(jī)的效率分為不同級(jí)別，范圍從標(biāo)準(zhǔn)效率（IE1）到超超高效（IE4）。如今，IE3 超高效率水平在世界上最大的工業(yè)地區(qū)（包括歐盟、美國(guó)、中國(guó)和日本）是強(qiáng)制性的。工廠運(yùn)營(yíng)商并沒有抵制這一變化，因?yàn)殡姍C(jī)的資本成本只是電機(jī)使用壽命期間電力成本的一小部分。即使用 15 kW 超高效 IE4 電機(jī)替換超高效電機(jī)，也可以在兩年內(nèi)收回節(jié)能的額外成本。電機(jī)效率要求的這種趨勢(shì)促使許多設(shè)備制造商從直接離線電機(jī)轉(zhuǎn)向基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種架構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)和信號(hào)隔離要求是本文討論的主題。

到目前為止，SQIM制造商已將更嚴(yán)格的效率法規(guī)視為市場(chǎng)機(jī)會(huì)。與標(biāo)準(zhǔn)高效電機(jī)相比，優(yōu)質(zhì)和超高效電機(jī)在材料、設(shè)計(jì)和制造方面的成本更高，但它們的市場(chǎng)價(jià)格更高。然而，新的IEC效率分類等級(jí)IE5和IE6的開發(fā)將給電機(jī)制造商帶來(lái)問題。電機(jī)專家認(rèn)為，設(shè)計(jì)線路連接的SQIM以滿足高于IE4的效率水平將非常困難和昂貴，特別是在較低的功率范圍內(nèi)（de Almeida）。最有可能的是，只有逆變器連接的電機(jī)才能滿足IE5和更高的效率水平。傳統(tǒng)上，永磁同步電機(jī)（PMSM）被選用于超高效率應(yīng)用，但稀土轉(zhuǎn)子磁體的成本和可用性是一個(gè)問題。使用鐵氧體磁鐵或?yàn)橹С植粩嘣鲩L(zhǎng)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)而開發(fā)的新型磁性材料的新型軸向電機(jī)設(shè)計(jì)可能會(huì)緩解其中一些擔(dān)憂。同步磁阻電機(jī)（SRM）也正在被認(rèn)真考慮用于IE5效率水平驅(qū)動(dòng)器（ABB）。SRM 既沒有轉(zhuǎn)子繞組也沒有磁鐵，與具有相同額定功率的同等 SQIM 相比，它以更低的成本和框架尺寸支持高效率。

逆變器和隔離

這種更高效電機(jī)的趨勢(shì)增加了對(duì)基于IGBT的變頻器的需求，這些變頻器將整流的電源輸入轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻電壓。變頻器控制電機(jī)的輸出扭矩或速度與軸負(fù)載最佳匹配，以最大限度地降低能耗，降低電機(jī)運(yùn)行溫度并提高電機(jī)可靠性。狀態(tài)監(jiān)測(cè)、功率計(jì)量和工廠網(wǎng)絡(luò)連接等增值控制功能可實(shí)現(xiàn)過(guò)程效率和可靠性。隔離技術(shù)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素，因?yàn)樗梢园踩貙?a target="_blank">控制器用戶界面與連接到逆變器的危險(xiǎn)高壓隔離開來(lái)。

幾個(gè)高級(jí)因素會(huì)影響給定驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的隔離要求和架構(gòu);其中包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能水平、通信接口的復(fù)雜性、控制器架構(gòu)以及系統(tǒng)內(nèi)遇到的電壓水平，如圖1所示。

圖1.整合的電機(jī)控制架構(gòu)。

在許多情況下，關(guān)鍵隔離節(jié)點(diǎn)是柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)相電流檢測(cè)電路。這兩個(gè)位置都涉及以開關(guān)高電壓電平為基準(zhǔn)的受控或測(cè)量信號(hào)，并且必須至少包括某種形式的電平轉(zhuǎn)換，并且在許多情況下必須包括隔離（功能或安全），以便施加或提取接地參考信號(hào)。

圖2的概念圖對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明，該原理圖描述了單個(gè)逆變器相位支路，其中顯示了高端柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和相電流分流測(cè)量信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和潛在信號(hào)隔離要求。

圖2.三相逆變器支路中的信號(hào)參考。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的基本要求也可以從圖2中理解。其中包括邏輯電平開關(guān)信號(hào)的功能或安全隔離，以及能夠驅(qū)動(dòng)IGBT柵極電壓超過(guò)導(dǎo)通和關(guān)斷閾值的輸出驅(qū)動(dòng)器，以在所需時(shí)間時(shí)刻切換IGBT，從而最大限度地減少器件導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和EMI產(chǎn)生。在三相逆變器中，IGBT以反相方式控制，因此高端和低端IGBT永遠(yuǎn)不會(huì)一起導(dǎo)通，即使是短暫的瞬間。這需要在高端和低端開關(guān)信號(hào)之間插入一個(gè)小的死區(qū)周期。在系統(tǒng)性能和IGBT保護(hù)方面，最大限度地縮短死區(qū)時(shí)間至關(guān)重要（O'Sullivan）。

IGBT導(dǎo)通要求將IGBT驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)域，使導(dǎo)通損耗最小化。IGBT關(guān)斷需要將IGBT驅(qū)動(dòng)到工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導(dǎo)通后成功阻斷其兩端的反向高壓。>原則上，這可以通過(guò)將IGBT柵極發(fā)射極電壓降低到0 V來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)高端晶體管導(dǎo)通時(shí)，必須考慮次要效應(yīng)。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速轉(zhuǎn)換導(dǎo)致瞬態(tài)感應(yīng)電流在低側(cè)IGBT寄生米勒電容（C廣東在圖 3 中）。該電流流過(guò)低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（Z司機(jī)如圖3所示，在低側(cè)IGBT柵極發(fā)射極端產(chǎn)生瞬態(tài)電壓反彈。如果該電壓上升到IGBT閾值電壓以上，則V千，它可能導(dǎo)致低側(cè)IGBT短暫導(dǎo)通，導(dǎo)致逆變器支路瞬態(tài)擊穿，增加功耗并降低可靠性。

圖3.IGBT開關(guān)中的米勒效應(yīng)。

通常有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問題：使用雙極性電源和/或增加米勒箝位。在柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離側(cè)接受雙極性電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，?7.5 V的負(fù)電源軌意味著通常需要>8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變來(lái)感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這通常足以防止虛假導(dǎo)通。一種補(bǔ)充方法是在關(guān)斷轉(zhuǎn)換完成后的一段時(shí)間內(nèi)降低柵極驅(qū)動(dòng)器電路的關(guān)斷阻抗。這被稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在在較低阻抗的電路中流動(dòng)，從而減小了電壓瞬變的大小。通過(guò)使用非對(duì)稱柵極電阻器打開和關(guān)閉，可以在開關(guān)速率控制方面提供更大的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動(dòng)器功能對(duì)整體系統(tǒng)可靠性和效率都有積極影響。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的過(guò)流保護(hù)通常在多個(gè)級(jí)別上實(shí)現(xiàn)。持續(xù)過(guò)流和瞬態(tài)過(guò)流之間的區(qū)別可能包括在驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案中，這些過(guò)流事件具有不同的跳閘電平和時(shí)間常數(shù)。這種類型的過(guò)流保護(hù)通?；陔娏鳒y(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于非?？焖偾铱赡芫哂袨?zāi)難性的過(guò)流事件，例如逆變器輸出短路，在柵極驅(qū)動(dòng)器中集成快速動(dòng)作保護(hù)機(jī)制可能是有利的。去飽和保護(hù)是通過(guò)在IGBT導(dǎo)通時(shí)監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)IGBT飽和時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)電壓是IGBT內(nèi)電流電平的函數(shù)，這種保護(hù)功能可以設(shè)計(jì)為觸發(fā)故障，并在導(dǎo)通狀態(tài)電壓超過(guò)可接受的水平時(shí)迅速關(guān)閉IGBT。消隱時(shí)間很短，在此期間，保護(hù)電路不會(huì)監(jiān)視IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。這包括防止由于集電極發(fā)射極電壓轉(zhuǎn)換和/或?qū)ㄊ录陂g的瞬態(tài)過(guò)流而導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)誤觸發(fā)。

ADI公司的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器ADUM4135集成了雙極性電源能力、米勒箝位以及非對(duì)稱導(dǎo)通和關(guān)斷輸出。此外，傳播延遲和更重要的是，傳播延遲偏斜分別處于業(yè)界領(lǐng)先的50 ns和15 ns典型值。減少死區(qū)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響如圖4所示，其中描述了兩種不同死區(qū)時(shí)間水平的低電機(jī)速度下的逆變器輸出線對(duì)線電壓。與光耦合器技術(shù)相關(guān)的死區(qū)時(shí)間要求增加，導(dǎo)致電機(jī)電壓和電流失真增加。這降低了性能，增加了扭矩脈動(dòng)和振動(dòng)，并且由于諧波損耗增加而降低了效率。這些失真效應(yīng)在控制環(huán)路性能相對(duì)較低的逆變器應(yīng)用中尤為明顯，然而，即使在具有高帶寬電流和速度控制的高性能驅(qū)動(dòng)器中，與死區(qū)時(shí)間相關(guān)的失真也可能是極低速度性能的限制因素。

圖4.在 （a） 500 ns 死區(qū)時(shí)間 （b） 1μs 死區(qū)時(shí)間下測(cè)得的線間電機(jī)電壓。

隔離電流檢測(cè)

電機(jī)相電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與柵極驅(qū)動(dòng)器輸出連接到同一電路節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，用于基于分流的測(cè)量。因此，它們會(huì)遇到相同的隔離電壓和開關(guān)瞬變。相電流檢測(cè)對(duì)于高性能閉環(huán)電機(jī)控制至關(guān)重要，在這種惡劣的電氣噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)量并非易事。在高功率系統(tǒng)中，使用隔離式電流傳感器（如電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器）固有隔離，而在低功耗系統(tǒng)中，趨勢(shì)是使用分流電阻和隔離式Σ-Δ調(diào)制器，例如ADI公司的AD7403。前者系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動(dòng)器功能來(lái)實(shí)現(xiàn)短路過(guò)流保護(hù)，而后者基于隔離式調(diào)制器的電流檢測(cè)方案可以通過(guò)快速、粗糙的數(shù)字濾波器（O'Byrne）直接實(shí)現(xiàn)。這需要隔離調(diào)制器響應(yīng)的精密時(shí)序和柵極驅(qū)動(dòng)器中的低傳播延遲，而ADI公司的i耦合器技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而傳統(tǒng)的基于光耦合器的解決方案往往具有更長(zhǎng)的傳播延遲。?

監(jiān)管環(huán)境

一旦開發(fā)出滿足所需性能的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須符合行業(yè)電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。為了選擇合適的隔離元件，了解柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的隔離要求至關(guān)重要。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是安全隔離（增強(qiáng)）、基本絕緣或功能絕緣。任何單個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求可以是安全絕緣以防止人為電擊，或隔離以保護(hù)低壓電路，或隔離用于數(shù)據(jù)完整性和噪聲抑制目的，如圖1所示。系統(tǒng)級(jí)要求可以通過(guò)具有多個(gè)絕緣屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)。IEC61800-5-1 是一個(gè)長(zhǎng)期存在的系統(tǒng)級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)必須遵守該標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)絕緣。

無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)是什么，它都不涉及組件的評(píng)估。IEC61800-5-1建議可以使用支持系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求的組件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。IEC60747-5-5針對(duì)基于光耦合器的組件，而VDE-0884-10是IEC60747-5-5的非光隔離器版本，自2006年以來(lái)一直針對(duì)數(shù)字隔離器。VDE-0884-11 于 2014 年開發(fā)和批準(zhǔn)，并具有額外的壽命表征要求。這已作為IEC60747-17提交給IEC批準(zhǔn)，通常有三年的周期。在此期間，VDE-0884-11可作為IEC等效標(biāo)準(zhǔn)提供，如圖5所示。

圖5.非光隔離器標(biāo)準(zhǔn)的演變。

結(jié)論

關(guān)于電機(jī)能效的新國(guó)際法規(guī)正在加速?gòu)亩ㄋ?、直接在線感應(yīng)電機(jī)向變頻器控制機(jī)器的過(guò)渡。一個(gè)常見的要求是IGBT柵極驅(qū)動(dòng)和某種形式的電流測(cè)量，以在簡(jiǎn)單的開環(huán)逆變器中提供保護(hù)，直到驅(qū)動(dòng)器和伺服系統(tǒng)中的高保真電流控制。這些電路的技術(shù)要求越來(lái)越關(guān)注時(shí)序和測(cè)量的精度，以及可靠性和魯棒性。信號(hào)隔離在監(jiān)管框架內(nèi)的實(shí)施和解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面都是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷