电机栅极驱动隔离:转光耦合器,变压器或其他

在工程学中,术语“隔离”有很多含义。在基本电路设计中,它指的是一种拓扑结构,其中整个系统的两个子电路是电隔离的,它们之间没有“欧姆”或“电流”路径(无限电阻),但信号,功率或两者仍然可以在这些子电路之间通过。
隔离的有形例子是使用机电继电器。线圈驱动电路和继电器接触电路彼此完全隔离。实际上,线圈上的电压电平,电流额定值和信号可以与接触电路上的相同参数完全不同,这是在系统中经常使用的特性。例如,几十毫安的24V DC信号可以控制许多安培的高压交流信号,驱动器和负载之间没有电接触。当然,机电继电器不适合以几十kHz的速度进行不间断切换,因此需要全电子替代方案。

 

挑战取决于信号类型

隔离可以用于信号或电源(AC和DC)。通过简单地使用传统的变压器,AC是最容易隔离的。这通常在交流/直流电源中完成,其中变压器可以将线路电压传递到系统进行整流和调节,但是没有从系统回到交流线路的路径,反之亦然 - 因此避免了与地面相关的冲击和其他潜在的问题。
对于直流电源,隔离情况更加困难,通常需要切断直流电以产生类似交流的波形,然后使用变压器,最后整流次级侧输出; 或者,可以使用开关电容器拓扑。
隔离信息承载信号是一项更加困难的挑战。对于模拟信号,各种技术包括调制更高频率的载波,然后将其传递通过变压器或甚至微型无线链路; 或首先将模拟信号数字化,然后将其转换回模拟形式。后一种方法很有吸引力,因为隔离数字信号要比模拟信号容易得多,我们将在下面看到电机功率器件的栅极驱动信号的隔离度。

 

隔离满足了许多需求

出于多种原因,建议使用隔离子系统。首先,它保护用户免受高压侧的故障。例如,如果诸如电动机的AC供电负载意外地短路到控制电子设备,则全线电位可能到达用户面板并且控制 - 显然是危险的情况。
其次,它保护电子设备免受此类故障的影响。同样,由于内部高压短路而出现的高电压将不具有“回波”到低压控制电子器件中的路径,因为它将被隔离屏障阻挡。
第三,与故障和故障无关,由于某些常见电路拓扑的固有特性,需要隔离。在一个简单的例子中,考虑在数百个电池的串联堆叠的顶部测量电池两端的电压,例如在电动或混合动力车辆中。虽然电池本身具有较低的安全电压,但电池在地面以上几百伏,因此具有很高的危险潜力。通过将电池测量电路与地隔离,只能看到电池的小电压。
最后,虽然通常只需要高端隔离,但设计人员通常将其包含在高侧和低侧,原因有几个。除了提供安全,隔离还:
  • 减少可能无意中触发MOSFET的一些共模噪声。
  • 在整个电路配置的一些更精细的细节中提供一些额外的灵活性。
  • 确保两个驱动路径对称,具有相同的传播延迟,最小的通道间时序偏差以及其他可能影响关键栅极驱动时序的差异。

 

电机隔离:电压和拓扑

许多电机在高电压下运行,因此存在直接的用户安全和系统故障保护问题。但是,需要隔离,因为许多电机驱动电路需要它才能正常工作。考虑用于通过MOSFET(或IGBT)控制电机的基本半桥或H桥设计,如图1所示。
H桥电机控制图

图1:典型的H桥电机驱动配置显示了如何使用四个受控开关来管理电机方向,因为相对开关的配对是打开和关闭的。(来源:blog.solutions-cubed.com)
在桥式布置中,栅极驱动器位于控制电子器件和功率器件之间。通过打开(和关闭)上/下功率器件的横向开关对,控制电动机正向或反向运行。但另请注意,上侧功率器件不能接地,因为它作为负载连接在电源轨和电机之间。同时,驱动电路通常接地,使上侧器件短路并使电路无用。解决方案是在控制电子元件和MOSFET(或IGBT)驱动器之间使用隔离。这种隔离可确保导通栅极驱动器的信号 - 以及MOSFET - 没有接地路径,如图2所示。
电机控制框图

图2:低压控制信号,栅极驱动器,受控功率器件(MOSFET或IBGT)之间以及电机之间的路径通常需要电流隔离,以实现安全和电路功能。

 

磁隔离和光隔离

通常使用两种方法来为电动机 - 门驱动器提供隔离:磁性和光学。两者在概念上都很简单,但在组件选择和设计技术方面涉及许多细微​​之处。
磁路采用插在控制电子设备和栅极驱动器输入之间的脉冲变压器。打开或关闭栅极驱动器(以及打开或关闭MOSFET)的信号通过该变压器,该变压器本质上是一个非接地元件。变压器可以是分立器件,也可以物理实现为类似混合IC的一部分(图3),其中将平面脉冲变压器集成到其ADuM系列中的单个元件中。
离散变压器框图离散变压器框图

图3:磁隔离可以使用离散变压器,在ADuM3223和ADuM4223结构的IC类封装中,示意性地(左)示意性地(右)构建为平面共位线圈。(来源:ADI公司)
光学方法使用光耦合器(也称为光隔离器),它将LED和光电晶体管组合在一个封装中。LED由控制信号驱动,将电输入转换为光子,并沿着它们到达光电晶体管的受限光路引导这些光子。该设备将光子和它们表示的信号重新转换为电信号,因此光子路径充当电隔离屏障。输入侧和输出侧都相对容易与其相关电路连接,许多都可以使用与传统IC相同的封装。
它们甚至可以根据负载进行定制,例如用于IGBT和MOSFET的Avago ACPL-P341和ACPL-W341 3A IGBT栅极驱动光电耦合器(图4)。该光耦合器提供的电压和高峰值输出电流使其非常适合直接驱动额定电压高达1200V / 100A的器件。
电机控制框图

图4:光隔离器是一种广泛使用的磁隔离替代品,它提供紧凑的设计和简单的接口。(来源:Avago / Broadcom
基于CMOS IC内高频信号的电容耦合,还有诸如家族中的隔离器件(图5)。这些提供了许多有益的属性,包括在100Mbps范围内的操作,但是电动机控制不需要这个速度,电动机控制通常在几十kHz的区域内。这些隔离装置为已建立的磁隔离方法提供了替代方案。
电容耦合IC图

图5: Si828x系列IC封装内的电容耦合提供了更新的隔离选项,并提供小尺寸和高隔离电压。(来源:Silicon Laboratories)

 

做出决定

显而易见的问题是:这种设计是应该使用磁耦合还是光耦合,或者是更新的技术?与大多数工程决策一样,答案很简单:取决于。因素包括最大额定电压,成本,产品尺寸,寿命和法规要求。对于关于每种方法的属性的任何一般声明,通常会有设备和示例作为该声明的例外。但相关参数中有以下几点:
最大电压和隔离额定值:这些由基础技术和器件物理学决定。所有技术都可提供高达数千伏的电压,但变压器隔离器可根据需要设计为几十千伏的范围。
性能需求:所有类型都可以提供满足大多数基本要求的性能,这些要求与电机驱动器应用的速度有关。
性能需求:所有类型都可以提供满足大多数基本要求的性能,这些要求与电机驱动器应用的速度有关。
坚固耐用的需求:基于变压器的组件提供增强的坚固性,并且可以比光学或电容设备更好地承受过压和滥用(尖峰,浪涌)。它们还可以承受更高的温度,这是许多工业情况下的考虑因素。
成本和尺寸:光学和电容器件往往成本更低,并且还可以采用多通道封装,每个封装有两个,四个和更多器件,这样可以节省空间。

变压器需求: Pulse Engineering PH9400等变压器也可以是多通道,但采用与有源器件不同的方式,因为它们还提供单个初级绕组和多个次级绕组,因此可以与多个栅极驱动器连接(图6))。

电容耦合IC图

图6:变压器可以通过使用单个初级绕组和匹配的次级绕组轻松支持多通道隔离,如PH9400器件的原理图所示。(来源:Pulse Engineering)
使用寿命:在规格限制范围内使用的脉冲变压器没有磨损机制,而光学设备即使在正常使用中也存在退化问题,因为LED和光电晶体管之间的电流传输率(CTR)降低到不再使用单元的地方开关。请注意,一些供应商确保20年以上的寿命,通过加速寿命测试证明。
监管问题:由于许多隔离器在很宽的电压范围内,从几十到几千伏,它们必须满足物理间距和材料内部路径和电路连接的各种安全要求; 微型SMT封装不能用于kV域。还有最小爬电距离和最大电压与最大电压的要求,图7a图7b可能决定哪种隔离技术是可接受的。
蠕变和间隙安全属性
7A
截面间隙和蠕变
7B

图7a和7b:蠕变和间隙尺寸是操作和故障引起的电压的函数。图7a显示了这些安全属性的广义视图; 图7b显示了它们含义的横截面视图。(来源:PCB技术指南; SMPS.com)
定制:就其性质而言,基于变压器的设备可以设计和制造以满足独特的规格,尽管这样做可能成本高,并且还涉及耗时,昂贵的性能和安全标准认证。

结论

尽管在工程学院中通常没有教授电机驱动器的隔离问题,但在电路设计拓扑,高电压和正常运行中的用户/设备安全以及发生故障的现实世界中,这是一个重要问题。要记住的因素是:
  • 在某些情况下,需要电气隔离以保证用户安全和系统保护。
  • 即使不存在这些保护问题,它也允许功率器件栅极驱动器和相关的MOSFET / IGBT“浮动”并且没有连接或参考接地或电路公共,这在许多情况下是电路必需的。
  • 使用变压器或光耦合器以及电容甚至RF技术可以实现隔离。
  • 每种选择都提供电压规格,总体功能,长期可靠性,环境耐用性,尺寸,成本和定制选项方面的性能差异。

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