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设计高保真隔离式功率逆变器接口时,需要注意哪些点?

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设计高保真隔离式功率逆变器接时,哪里需要隔离?何时需要隔离?为什么需要隔离?隔离式栅极驱动和电流/电压检测的设计挑战是什么?

 

ADI在线研讨会【设计高保真隔离式功率逆变器接口】为您一一解答,这里我们分享此次研讨会讲义的部分内容,完整文档请点击【在线研讨会回顾】设计高保真隔离式功率逆变器接口时需考虑的因素下载

 


隔离需求——何时需要隔离? 哪里需要隔离?

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这里以用于电机控制的三相逆变器为具体背景来考虑这些问题。 从上图中的拓扑结构显示,6开关三相逆变器从一个直流板接出,直流板由交流电源供电,输出到电机。 然而,这与UPS和其他应用的其他拓扑结构也是相关的。 为什么我们关注此类应用中的隔离,主要有三个原因。 首先是安全, 其次是在不同电压域上传输信号。 第三是信号完整度和噪声问题。


第一:安全需求。有些电路连接到交流线路或其他高压噪声,其高压电平是不利的。 与这些产品交互时,尤其是用户接口、电缆、键盘、台式电脑,需要将高压电路与低压安全电路从物理上隔离开来。

 

第二,信号传输。 考虑将功率晶体管放入上图原理图中,其连接到直流板,并且连接到部分负供电轨,很容易开启和关闭。 驱动它们的逻辑电平信号来自低压电路。 信号需要回传到低压域,以电路中的高压点为基准。 如果没有某种形式的电平转换或隔离,这是无法实现的。

 

第三,信号完整度。 基本上,应当有一个非常不利于信号连接和测量的环境,在这个环境中,电磁干扰、电压隔离和电流隔离会带来很多问题。 在这种情况下,提高信号完整度的最佳方法之一是隔离与这些信号相关的接地。 另外,提高物理隔离度也有助于减少电磁复杂性。

 

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安全隔离栅应该放在什么地方? 专门考虑安全问题。 一般有两种考虑方法。

 

第一是在控制器和功率电路之间使用隔离栅。 它通过反馈和通信实现最大抗扰度。

 

第二个位置是隔离用户接口或通信。 在通信和用户接口处实现隔离是相当简单的,无论有没有很多不是以高速运行的信号。 当然,某些驱动架构会同时隔离这两个部分。

 

 

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从隔离架构角度看,上面描述了两种情况。第一种情况下,控制器与通信和用户接口隔离,连接到直流总线公共地, 如左图所示。 主电机控制器可以是处理器或FPGA,参考直流总线图。 这通常是在较低性能的驱动器中实现。 由于电机控制器的存在,即使高压域也可能使高完整性和高质量信号接口变得困难。 这种情况下,栅极驱动器电路可以简单地进行电平转换,而无需实际的电流隔离。 电流检测和电压检测需要功能隔离,不是特别需要安全隔离。 如右图所示,控制器连接到安全地。 这种情况下,栅极驱动器必须进行安全隔离,电流和电压检测也必须进行安全隔离。 这种配置通常用在更高性能驱动器中,出入控制器的信号质量需要更高。 而在第一种情况下,控制器与直流板相关联。

 

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隔离在逆变器中的重要性,尤其是在电机驱动应用中的重要性。 这里只考虑一个三相逆变器的一个桥臂。 直流母线电压可以介于300V到1,000V。

 

一路桥臂中,我们控制2个功率开关。 这些通常以350A或5到20kHz的频率接通和断开。 考虑UPS应用,开关频率可能更高。 开关边沿将是50到150 ns,甚至更低,产生数十MHz的谐波成分。 低电流切换从数十到数百安培。 这些一般涉及到很大的器件,难以非常紧凑地布局。 PCB走线电感有数十nF。 这进而导致相当大的 di/dt,接地线和其他信号线上的电压变得难以确定。

 

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考虑这些标准时,为使设计符合相关标准,关键因素是节点相对于隔离点的工作电压。

 

例如,我们考虑这里显示的拓扑结构。 若要在节点与直流负端之间进行隔离,那么只需考虑该点与直流总线图之间的工作电压。

 

 

隔离电路: 电流检测、栅极驱动和数字信号隔离。

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电流反馈是指需要控制的电流反馈。 在电机驱动应用中,它与扭矩控制有关,而在UPS逆变器应用中,它可能与输出电流和无功功率控制有关。 在本例中,电流测量的质量与系统控制的整体质量有直接关系。 电流反馈的第二个实际要求是针对过载保护。 但在这种情况下,测量质量并不那么重要。 对于左边显示的较低性能系统,1和2, 电机相电流可以从桥臂电阻测量获得,要么通过2中显示的逆变器下桥臂电阻,要么通过直流总线负侧中的分流电阻测量。

 

这是一种间接测量,并未捕捉所有信息,但在某些系统中是足够的,而且在隔离通信架构中,它有不需要隔离的优势。 由于信号可以直接送至控制器并且参考直流总线负端,

 

电机相位中的实际电流测量会更精确。 它有一个较低的噪声接触,因为它不包括开关桥臂。 通过实际电机相线电流检测可以获得更多信息,但它需要隔离,因为在接地和直流总线电路之间切换是很迅速的。

 

我们有三种方法来测量隔离相电流。

第一种方法是使用相线中的分流电阻,测量其上的电压,将该电压隔离并输入到一个模拟隔离放大器,在另一侧输出隔离模拟电压,然后将其送回典型接口处理。


第二种方法是使用隔离传感器,隔离由传感器本身实现,例如磁性传感器或霍尔传感器之类的电流传感器。 然后调理隔离电压,通过滤波器滤波后送入模拟数字逆变器控制。


第三种方法同样是使用分流电阻,它串联在相线中: 测量电阻上的电压,但这次是使用数字隔离器、sigma-delta调制器,将该模拟信号转换为数字位流,并将该位流直接送回控制器,后者需要有某种形式的数字滤波器。

 

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更仔细地看看这些不同反馈方法之间的差别,考虑电机电流实际的情形,它通常包括频率为PWM开关频率的纹波成分,叠加在频率较低的均值电流上。 左边的电流图显示了这一点。 必须滤除此开关纹波成分,以免在测量中引入混叠SINC,引起问题和反馈滤波器。 对于这里显示的模拟隔离和数字隔离电路,其做法是相当不同的。

 

左边是较传统的方法,电机相电流样本在确切时间点处理,即PWM开关SINC的标准点,瞬时电流等于PWM均值。 无论使用隔离传感器,还是使用隔离放大器,都是这样做。 两种情况均产生模拟输出,但其时间是该确切时间点。 当然,此模拟输出也可用于这里显示的过流保护,在这中情况下,它可以触发故障。

 

右边是完全不同的方法,采用数字隔离和sigma-delta调制器。 这种情况下,调制器以高时钟频率工作,范围通常为5-20MHz。 它输出单个位流,该位流经过隔离后移动到FPGA工作流程中的数字滤波器模块。

 

这是根本不同的方法,模拟方法更简单。 它是更传统的方法,更容易理解,在中间点进行电流采样。 有1个采样点可以获得平均值。 不过,实际电路本身很复杂。 模拟隔离放大器尤其复杂,难以实现高性能。 同样,隔离传感器也难以实现高精度或高线性度。 相比之下,这种方法在模拟侧很简单,模拟电路非常简单,但数字侧很复杂,难以理解。 这种情况下,采样频率很高。 在特定时间点进行滤波、估值和平均,以得出同样的最终结果,同时仍能获得平均电流估计点,但需要付出更多努力才能理解这种方法的弊端。 因此,线性度和抗扰度会更好,因为没有围绕功率流移动敏感的模拟信号。

 

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现代驱动器中的栅极驱动信号隔离有三种常见方法: 电平转换,如左上方所示。 这不是电流隔离方法。 隔离是通过降低电压实现的。 另外两种方法是电流隔离方法,一种光隔离,产生隔离栅,另外一种是磁耦合驱动器,如ADI公司的iCoupler器件。 它是磁性电路,耦合磁能。

 

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栅极驱动器的基本功能是什么? 栅极驱动器需要做什么?

第一个最基本的功能是将逻辑电平控制器信号转换为与电路中的正确点相关的驱动信号。 例如,如果我们要把这个IGBT作为高端IGBT来驱动,那么就需要让一个控制信号参考逻辑地,并让IGBT发射极参考该信号。 但这是针对电平转换或电压转换,通过随之而来的隔离。

 

 

该信号还必须能够提供必要的电流来给IGBT内的开关管充电和放电,以便低开关节点能够快速接通和断开。 它还必须有完全接通和断开IGBT所需的电压电平,这通常不是逻辑电平。 它还必须有适当的隔离性能,无论是基本功能隔离,还是增强型安全隔离。 此外,它还必须耐受节点开关所引起的大共模电压摆幅,这是由IGBT施加的,从高压到低压。


有很多执行基本功能的栅极驱动器,左下方显示的例子是ADI公司的ADuM4223,它能提供上述功能。 考虑栅极驱动器类型时,有一些关键特性需要注意:工作电压是否与电路需要的隔离水平匹配? 共模瞬变抗扰度是否与器件的开关速度匹配? 欠压闭锁: 如果我们在IGBT中寻找,其是否与所需的开启电压匹配,以产生导通损耗? 还有驱动器能力: 能否以足够快的速度向IGBT提供足够的电流切换,以获得我们需要的开关节点?

 

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除了这些基本功能外,栅极驱动器还有其他更复杂的功能。 其中之一是去饱和检测。 这是系统可靠性的一个关键部分。 可靠性不是驱动时的故障安全性,其故障可能导致直流总线电容在驱动阶段爆炸。 驱动器中的过流保护通常是借助快速电流测量实现,但也可以通过实际IGBT的去饱和检测实现。 对于快速和可能会有灾难性后果的过流事件,比如逆变器输出短路,在栅极驱动器中集成快速响应保护机制可能会非常有用。

 

栅极驱动器时序和偏置设计相关的系统设计考虑

标准过流保护也很重要,我们使用系统中的电流检测电路来断开高电流电平。 这些电流不一定会触发去饱和,但可能会影响IGBT。 这是很重要的,因为IGBT的短路耐受时间会缩短。 随着功率模块变得越来越小,设计效率越来越高,跨导也在提高。 短路耐受时间已从10ms降至5ms,甚至更低,达到1ms。 连同原始或附加快速滤波器之间的电流传感器的反应时间,栅极驱动器的超短传播延迟对实现有效的快速过流保护非常重要。

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上图显示了硬件跳变信号、PWM输出信号和其中一个逆变器分支的IGBT实际栅极-发射极波形之间的延迟。 所示的总延迟约为100ns,从IGBT的过载检测关闭起算,突出表明了IGBT驱动器本身的数据传播延迟值非常短,一旦检测到过流,就会立即启动保护。

 

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信号传递延迟的一致性很重要,能有效的减少上下管之间PWM插入的死区时间。 死区时间长度取决于两个因素: IGBT本身的开启和关闭延迟时间的匹配程度,以及栅极驱动器总传播延迟匹配误差。 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。

 

 

隔离栅极驱动器和隔离电流的偏置电源要求

典型的电机驱动功率逆变器具有4个不同的电源域。 3个高端域参考3个开关节点,一个低端域参考直流总线。 各个域都可以有多个电压轨,栅极驱动通常是+15V、-5V和-7.5V,要隔离大约5V或3.3V。 在隔离放大器或sigma-delta调制器中测量。 从这里可以看到驱动和SD ADC需要的典型功耗。 提供隔离偏置电源有多种选择。 最简单、最廉价的方法是自举和低压差稳压器、带低压差稳压器的电荷泵。 其成本很低,所需元件很少,而且非常简单。 不过,这种方法也有缺点:它不适合某些技术,例如电机驱动中的一些空间频谱调制技术;它总是需要高端器件;很长时间需要低端IGBT开启,高端器件不开启。 因此,最常见的方法是带低压差稳压器的多路输出变压器隔离开关。

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隔离逆变器平台

 

这是一种快速开发系统,支持三相电机控制应用中的硬件和软件开发。 它通过多个测试点和连接选项,在高度可配置、面向系统的平台中实现ADI隔离技术的灵活评估。 有2个模块可用:一个带基本栅极驱动器,另一个则是全功能栅极驱动器。

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結果