利用数字隔离器技术增强工业电机控制性能

这些功能由栅极驱动器执行(比如GDRVaL/GDRVaH等，如图3所示)。每个栅极驱动器IC都需要一个以处理器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。副边电源的电压电平必须能够开启功率晶体管(通常为15V)，并有足够的电流驱动能力来给晶体管栅极充电和放电。

　　功率晶体管有一个有限的开关时间，因此，高端和低端晶体管之间的脉宽调制波形中必须插入一个消隐或死区时间，如图4所示。 这是为了防止两个晶体管意外同时打开，引起高压直流总线短路，进而造成系统故障和/或损坏风险。 死区时间的长度由两个因素决定：晶体管开关时间和栅极驱动器传播延迟失配(包括失配的任何漂移)。换言之，死区时间必须考虑PWM信号从处理器到高端和低端栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传播时间差异。

　　死区时间的作用是扭曲施加于电机的平均电压，尤其是在低速运转时。实际上，死区时间会带来以下近似恒定幅度的误差电压：

　　其中，Verror为误差电压，tdead为死区时间，ton和toff为晶体管开启和关闭延迟时间，TS为PWM开关周期，Vdc为直流总线电压，Vsat为功率晶体管的导通状态压降，Vd为二极管导通电压。

　　当一个相位段中的电流改变方向时，误差电压改变符号，因此，当线路电流过零时，电机线间电压发生阶跃变化。这会引起正弦基波电压的谐波，进而在电机中产生谐波电流。对于开环驱动采用的较大低阻抗电机，这是一个特别重要的问题，因为谐波电流可能很大，导致低速振动、扭矩纹波和谐波加热。

　　在以下条件下，死区时间对电机输出电压失真的影响最严重：

　　● 高直流总线电压 ;

　　● 长死区时间 ;

　　● 高开关频率 ;

　　● 低速工作，特别是在控制算法未添加任何补偿的开环驱动中 。

　　低速工作很重要，因为正是在这种模式下，施加的电机电压在任何情况下都非常低，死区时间导致的误差电压可能是所施加电机电压的很大一部分。此外，低速下感应扭矩纹波的影响更有害，因为对系统惯性的滤波在较高速度下是不可用。

　　在所有这些参数中，死区时间长度是唯一受隔离式栅极驱动器技术影响的参数。死区时间长度的一部分是由功率晶体管的开关延迟时间决定的，但其余部分与传播延迟失配有关。 在这方面，光隔离器显然不如磁隔离技术。

5 应用示例

　　为了说明死区时间对电机电流失真的影响，下面给出了基于逆变器的三相开环电机驱动的结果。逆变器栅极驱动器采用ADI公司的磁隔离器(ADuM4223)，直接驱动IR的IRG7PH46UDPBF 1200V IGBT。直流母线电压为700V。 逆变器驱动开环V/f控制模式下的三相感应电机。 利用阻性分压器和分流电阻，并结合隔离式Σ-∆调制器(同样是来自ADI公司的AD7403)，分别测量线间电压和相位电流。 各调制器输出的单个位数据流被送至控制处理器(ADI公司的ADSP-CM408)的SINC滤波器，数据在其中进行滤波和抽取后，产生电压和电流信号的精确表示。

　　sinc数字滤波器输出的线间电压实测结果如图5所示。 实际线间电压为10kHz的高开关频率波形，但它被数字滤波器滤除，以便显示我们感兴趣的低频部分。

　　相应的电机相位电流如图6所示。 ADuM4223栅极驱动器的传播延迟失配为12 ns，因此可以使用IGBT开关所需的绝对最短死区时间。对于IR IGBT，最短死区时间可设置为500 ns。从图6左图可看出，这种情况下的电压失真极小。同样，相电流也是很好的正弦波，因此扭矩纹波极小。图6右图显示死区时间提高到1 μs时的线间电压和相位电流。此值更能代表光耦合栅极驱动器的需求，因为其传播延迟失配和漂移更大。

　　电压和电流的失真均有明显增加。 这种情况使用的感应电机是相对较小的高阻抗电机。 在更高功率的终端应用中，感应电机阻抗通常要低得多，导致电机电流失真和扭矩纹波增加。 扭矩纹波在很多应用中都会产生有害影响，例如：电梯乘坐舒适度下降或机械系统中的轴承/联轴器磨损。

　　现代栅极驱动器的另一个重要问题是处理器发出的关断命令能以多快的速度在IGBT上实现。 这对于以下情况中的过流关断很重要：过流检测不是栅极驱动器本身的一部分，而是作为检测与滤波电路的一部分加以实现。 这方面的另一个压力是更高效率IGBT的短路耐受时间缩短。对此，IGBT技术的趋势是从业界标准10 μs缩短到5 μs甚至更短。 如图7所示，过流检测电路通常需要数微秒时间来锁存故障;为了顺应总体发展趋势，必须采取措施来缩短这一检测时间。

　　该路径中的另一主要因素是从处理器/FPGA输出到IGBT栅极(比如栅极驱动器)的传播延迟。同样，磁隔离器相对于光学器件有明显优势，原因是前者的传播延时值非常小，通常在50 ns左右，不再是影响因素。相比之下，光耦合器的传播延迟在500 ns左右，占到总时序预算的很大一部分。

　　电机控制应用的栅极驱动器关断时序如图8所示，其中处理器的关断命令跟在IGBT栅极发射极信号之后。 从关断信号开始到IGBT栅极驱动信号接近0的总延迟仅有72 ns。

6 总结

　　随着人们更加关注系统性能、效率和安全，电机控制架构师在设计稳健系统时面临着日益复杂的挑战。 基于光耦合器的栅极驱动器是传统选择，但基于变压器的解决方案不仅在功耗、速度、时间稳定性上更具优势，而且如本文所述，由于信号延迟缩短，其在系统性能和安全方面也有明显优势。 这使得设计人员可以在防止高端和低端开关同时接通的同时，有把握地缩短死区时间，改善系统性能。

　　此外，它还支持对系统命令和错误作出更快速的响应，这同样能增强系统可靠性并提高安全性。 鉴于这些优势，基于变压器的隔离式栅极驱动器已成为电机控制系统设计的一个主要选择;强烈建议系统设计人员在设计下一个项目时，把器件延迟作为一项重要要求。