交流电压电机驱动的数字隔离

隔离是交流电压电机驱动的一个组成部分。有几种提供电隔离的方法 - 主要使用光耦合器和数字隔离器。与传统的光耦合器相比,数字隔离器的使用提供了多种优势 - 其中一些包括降低成本,减少元件数量和提高可靠性。本文将比较传统电机控制器设计中的隔离方法,以突出数字隔离器的优点。

光耦合器 数字隔离器背景

光耦合器使用来自LED的光将数据通过隔离栅传输到光电二极管。当LED被驱动和断开时,在电隔离的光电二极管侧产生逻辑高和低信号。光耦合器的速度与探测器光电二极管的速度以及为二极管电容充电所需的时间直接相关。提高速度的一种方法是增加LED电流,但这是以增加功耗为代价的。
相比之下,基于变压器的数字隔离器使用变压器在隔离栅上磁耦合数据。变压器通过线圈脉冲电流以产生小的局部磁场,该磁场在另一个线圈中感应出电流。变压器中的传输速度本质上比光耦合器快得多。变压器也是差分变压器,可提供出色的共模瞬态抗扰度。此外,由于数字隔离器是基于变压器的,而光耦合器是基于LED的,因此数字隔离器可提供比光耦合器更高的可靠性/ MTTF。

电机驱动设计中的隔离

图1提供了由Boston Engineering Corporation(http://www.boston- engineering.com/)开发的高压FlexMC电机控制驱动器的框图,该驱动器与ADSP-CM40x混合信号控制处理器连接。该驱动器接收通用交流输入,提供功率因数校正(PFC)前端,并驱动永磁同步电机(PMSM),同时为ADSP-CM40x(ARM)上运行的传感器或无传感器控制提供必要的反馈调节®的Cortex ™-M4混合信号控制处理器,带有16位高精度模拟前端。中心是高压电力电子设备和控制器之间的隔离屏障。电机电源电子器件在高电压电位下浮动,而ADSP-CM40x处理器以大地为参考,因此需要隔离。本文将探讨如何选择光耦合器上的数字隔离器来改进这种设计。
 
 
 
图1
图1.电机控制框图。
闭环电机控制设计的两个关键硬件元素是脉冲宽度调制(PWM)控制器输出和电机相电流反馈。如框图所示,这些信号通过隔离栅。此外,还有一些其他功能可以从隔离器的使用中受益,包括数字通信和低电压,低功耗,隔离式DC-DC转换。

PWM隔离

功率级的脉冲宽度调制是所有电机驱动的核心。开关频率通常在10 kHz至20 kHz范围内。在优化控制性能时,精确控制脉冲宽度,死区时间和通道间延迟至关重要。在为PWM控制信号选择合适的隔离器件时,与可比的光耦合器选项相比,数字隔离器在性能和成本方面具有显着优势(参见表1中的比较表)。
表1. PWM数字隔离器与光电耦合器的比较
  PWM隔离
  ADuM1310 光耦合器解决方案
尺寸(^ 2) 0.5 0.45
成本@ 1K数量($) 3.98 9.72
组件数量 2 6
最大速率(Mbps) 90 50
最大传播延迟(ns) 32 650
输出上升/下降时间(ns) 2.5 550
通道通道匹配(ns) 2 500
绝缘绝缘(Vrms) 2500 3750
MTTF(10 ^ 6小时) 318 12.7
功率(mW) 15 105
例如,控制器在开关信号之间引入死区时间,以防止任何高侧和低侧晶体管对同时导通(即射穿)。该死区时间是功率开关的接通/断开延迟和隔离电路引入的延迟的不确定性的函数。所述ADuM1310数字隔离器只提供为2ns的信道到信道匹配,相比于500纳秒为光耦合器。利用数字隔离器可以大大减少死区时间,从而提高逆变器的功率性能。此外,从比较表中可以看出,除性能外,ADuM1310还提供更加集成的解决方案,从而减少了元件数量和BOM成本。

电机相电流

最先进的电机驱动器利用电机相电流作为主要反馈。为了提供连续反馈,将非常低电阻的分流电阻与电机相串联。然而,这增加了尝试测量毫伏电平信号和数百伏特的共模电压摆幅的复杂性,其中高频切换具有快速dv / dt。对于这种设计,两个AD7401A隔离Σ-Δ调制器用于测量电机绕组电流,然后数字位流由ADSP-CM40x上的数字滤波电路处理。ADSP-CM40x上的内置sinc滤波器允许与隔离的Σ-Δ调制器进行无缝连接。第三相电流可以从其他两个数学中导出,以节省功耗和元件成本。AD7401A在单个封装中包含差分跟踪和保持级,Σ-Δ调制器和数字隔离。高压侧模拟信号被转换为数字串行数据流,然后通过隔离屏障传输到低压侧。AD7401A还包含一个时钟输入引线,允许每个器件的测量与单个时钟源同时进行。如表2所示,
表2.相电流数字隔离器与光电耦合器的比较
  相电流测量
  AD7401A 光耦合器解决方案
尺寸(^ 2) 0.18 0.15
成本@ 1K数量($) 3.8 3.8
组件数量 1 1
最大速率(Mbps) 20 10
绝缘绝缘(Vrms) 5000 5000
MTTF(10 ^ 6小时) 1576 4.9
功率(mW) 70 91
分辨率(位) 16 16
增益误差(%) 0.5 1
信噪比(dB)) 80 68
偏移漂移(μV/ degC) 3.5 3.5

数字通信

I 2 C是一种双线多点通信接口,常用于为控制器提供数字或模拟IO扩展功能。这种方法通常保留用于定期监视或更新的“内务”类型的功能。FlexMC高压板使用I 2 C接口与PFC控制器以及监控总线电压,总线电流和IGBT温度的ADC进行通信。该ADuM1250允许通过利用只是一个两线的外围接口通过一个隔离器ADSP-CM40x控制器来监测在高压侧的所有此功能。相比之下,没有一种光耦合器可以提供I 2C隔离。因此,从表3中可以看出,由于成本,尺寸,元件数量和性能的原因,ADuM1250是光耦合器选项的明智选择,适用于I 2 C隔离。
表3. I 2 C数字隔离器与光电耦合器的比较
  相电流测量
  AD7401A 光耦合器解决方案
尺寸(^ 2) 0.3 0.2
费用($) 3.8 3.8
组件数量 1 1
最大速率(Mbps) 20 10
绝缘绝缘(Vrms) 5000 5000
MTTF(10 ^ 6小时) 1576 4.9
功率(mW) 70 91
分辨率(位) 16 16
增益误差(%) 0.5 1
偏移漂移(μV/ degC) 3.5 3.5

孤立的力量

使用数字隔离器技术使该设计受益的另一个领域是产生非常低水平的隔离电源。两个ADuM5000器件用于产生隔离的5 V电源,具有高达500 mW的功率输出能力。这些用于为Σ-Δ转换器的模拟侧供电,该转换器随着快速变化的电动机电压而浮动。这些隔离电源使用与数据隔离器相同的技术,因此它们具有180 MHz的内部变压器开关。该频率比标准DC-DC转换器高三个数量级,允许更小的尺寸。ADuM5000器件是一种采用SOIC-16封装提供低功耗隔离电压的简单方法。
 
 
 
SOIC-16
 
 
 
SOIC-16

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