【導(dǎo)讀】二十多年來(lái)，電機(jī)電能效率一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)。這是全球共同努力的一部分，旨在通過(guò)增加電能利用率以及使用可再生源發(fā)電，達(dá)到最大程度減少碳排放的目的。早期的電機(jī)效率法規(guī)是自愿的，但很快這些法規(guī)就變成強(qiáng)制性的了，并且每5至10年就會(huì)提高最低能效水平要求。
鼠籠式感應(yīng)電機(jī)(SQIM)自人類(lèi)普及用電之后便一直是工業(yè)的主力軍，因?yàn)樗谥苯舆B接三相交流電源后便可開(kāi)始工作。當(dāng)前的IEC標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)功率額定值將這些電機(jī)的效率分為各種等級(jí)，范圍從標(biāo)準(zhǔn)效率(IE1)到超頂級(jí)效率(IE4)。今天，IE3頂級(jí)效率在世界上最大的工業(yè)區(qū)內(nèi)是強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，這些地區(qū)包括歐盟、美國(guó)、中國(guó)和日本。廠商并沒(méi)有抗拒這一變化，因?yàn)樵陔姍C(jī)的壽命期間，電機(jī)的資本投入只是電費(fèi)的一小部分。哪怕將頂級(jí)效率電機(jī)替換為15 kW超頂級(jí)效率IE4電機(jī)，其額外的成本也會(huì)在兩年內(nèi)通過(guò)節(jié)約的電費(fèi)收回。電機(jī)效率要求的這種趨勢(shì)迫使很多設(shè)備制造商拋棄直接離線電機(jī)，轉(zhuǎn)而使用基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種架構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)和信號(hào)隔離要求是本文所要討論的主題。
SQIM制造商目前為止一直將更為嚴(yán)格的法規(guī)視為市場(chǎng)機(jī)遇。頂級(jí)效率和超頂級(jí)效率電機(jī)的材料、設(shè)計(jì)、制造成本相比標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)更高，但市場(chǎng)售價(jià)也更高。然而，最新的效率分類(lèi)等級(jí)IE5和IE6將對(duì)電機(jī)制造商造成不少困擾。電機(jī)專(zhuān)家相信，要設(shè)計(jì)線路連接式的SQIM來(lái)滿(mǎn)足高于IE4的效率等級(jí)——尤其是較低功率范圍(de Almeida)——將會(huì)是十分困難且成本高昂的。極有可能只有逆變器連接式電機(jī)才能滿(mǎn)足IE5或更高的效率等級(jí)。永磁同步電機(jī)(PMSM)通常用于超高效率應(yīng)用，但稀土轉(zhuǎn)子磁體的成本和獲取性是個(gè)問(wèn)題。最新的軸向電機(jī)設(shè)計(jì)中使用鐵氧體磁珠或新的磁體材料，這些材料是為滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)，可緩解這些問(wèn)題。此外，人們正在考慮針對(duì)IE5效率等級(jí)驅(qū)動(dòng)(ABB)采用同步磁阻電機(jī)(SRM)。SRM既沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組也沒(méi)有磁體，能以較低的成本實(shí)現(xiàn)高效率，框架尺寸與同等功率額定值的SQIM相當(dāng)。
逆變器和隔離
這種使用效率更高電機(jī)的趨勢(shì)推動(dòng)了基于IGBT的頻率逆變器需求，可將整流市電輸入轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各種頻率電壓。逆變器控制型電機(jī)的輸出扭矩或速度經(jīng)優(yōu)化后匹配軸負(fù)載，可最大程度降低能耗和電機(jī)運(yùn)行溫度，改善電機(jī)可靠性。此外，其附加控制功能有：狀態(tài)監(jiān)控、功率計(jì)量和工廠網(wǎng)絡(luò)連接，可提高過(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)鍵因素，因?yàn)樗馨踩貙⒖刂破饔脩?hù)界面與連接逆變器的危險(xiǎn)高電壓相隔離。
有多種高等級(jí)因素會(huì)影響特定驅(qū)動(dòng)中的隔離要求和架構(gòu)，這些因素包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能等級(jí)、通信接口的復(fù)雜性、控制器架構(gòu)以及系統(tǒng)內(nèi)的電壓水平，如圖1所示。
圖1. 電機(jī)控制架構(gòu)
很多情況下，關(guān)鍵的隔離節(jié)點(diǎn)是柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)相位電流檢測(cè)電路。這兩處均涉及與開(kāi)關(guān)高電壓有關(guān)的控制或測(cè)量信號(hào)，并且至少包含某種形式的電平轉(zhuǎn)換，很多時(shí)候還包括隔離(功能隔離或安全隔離)，以便施加或提取以地為參考的信號(hào)。
參見(jiàn)圖2中的概念圖；該圖描述了單個(gè)逆變器相位臂，并標(biāo)出了高端柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和相位分流檢測(cè)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和潛在的信號(hào)隔離要求。
圖2. 三相逆變器臂參考信號(hào)
隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
由圖2還能看出一個(gè)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的基本要求，包括：邏輯電平開(kāi)關(guān)信號(hào)的功能或安全隔離，以及可驅(qū)動(dòng)IGBT柵極電壓通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)斷閾值的輸出驅(qū)動(dòng)器(以便在最短時(shí)間間隔內(nèi)開(kāi)關(guān)IGBT，從而最大程度減少設(shè)備的導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和EMI)。在三相逆變器中，IGBT以相反方向進(jìn)行控制，以便高端和低端IGBT始終無(wú)法同時(shí)導(dǎo)通，哪怕時(shí)間很短。這就要求在高端和低端開(kāi)關(guān)信號(hào)之間插入一個(gè)小的死區(qū)時(shí)間片段。最大程度縮短這個(gè)死區(qū)時(shí)間段無(wú)論對(duì)系統(tǒng)性能還是對(duì)IGBT保護(hù)而言都非常重要(O’Sullivan)。
IGBT導(dǎo)通要求IGBT驅(qū)動(dòng)至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導(dǎo)通損耗最低。這通常意味著導(dǎo)通電壓要大于12 V。IGBT關(guān)斷要求IGBT驅(qū)動(dòng)至工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導(dǎo)通時(shí)成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講，可以通過(guò)使IGBT柵極發(fā)射極電壓下降至0 V實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。但是，必須考慮高端晶體管導(dǎo)通時(shí)的副作用。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速變化導(dǎo)致瞬態(tài)感應(yīng)電流流過(guò)低端IGBT寄生密勒電容(圖3中的CGD)。該電流流過(guò)低端柵極驅(qū)動(dòng)器(圖3中的ZDRIVER)關(guān)斷阻抗，在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個(gè)瞬變電壓反彈，如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上，則會(huì)導(dǎo)致低端IGBT的短暫導(dǎo)通，從而形成瞬態(tài)沖擊電流，流過(guò)逆變器臂，增加功耗，影響可靠性。
圖3. IGBT開(kāi)關(guān)的米勒效應(yīng)
一般而言，有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問(wèn)題——使用雙極性電源和/或額外的米勒箝位。在柵極驅(qū)動(dòng)器隔離端接收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負(fù)電源軌表示需要大于8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變才能感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這足以防止雜散導(dǎo)通。另一種方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換后的一段時(shí)間內(nèi)降低柵極驅(qū)動(dòng)器電路的關(guān)斷阻抗。這稱(chēng)為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路，隨后降低電壓瞬變的幅度。針對(duì)導(dǎo)通與關(guān)斷采用非對(duì)稱(chēng)柵極電阻，便可為開(kāi)關(guān)速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動(dòng)器功能都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的過(guò)流保護(hù)通常在多個(gè)等級(jí)內(nèi)部署。驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案中可能包含持續(xù)過(guò)流和瞬時(shí)過(guò)流的區(qū)別，而這些過(guò)流事件具有不同的跳變電平和時(shí)間常數(shù)。這類(lèi)過(guò)流保護(hù)通?；陔娏鳒y(cè)量進(jìn)行部署。對(duì)于極快速和可能會(huì)有災(zāi)難性后果的過(guò)流事件中(比如逆變器輸出短路)，在柵極驅(qū)動(dòng)器中集成快速響應(yīng)保護(hù)機(jī)制可能會(huì)非常有用。IGBT導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓便可實(shí)現(xiàn)去飽和保護(hù)。IGBT飽和時(shí)，通態(tài)電壓是IGBT內(nèi)電流電平的函數(shù)，并且該保護(hù)功能可以設(shè)計(jì)成觸發(fā)一次故障，然后在通態(tài)電壓升高至超出可接受電平時(shí)快速關(guān)斷IGBT。有一段短暫的消隱時(shí)間，期間保護(hù)電路不監(jiān)控IGBT的通態(tài)電壓。這是為了防止導(dǎo)通時(shí)由于集電極發(fā)射極電壓瞬變和/或?qū)ㄊ录械乃沧冞^(guò)流而引起誤觸發(fā)。
ADI隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器ADUM4135集成雙極性電源能力、米勒箝位、非對(duì)稱(chēng)導(dǎo)通和關(guān)斷輸出。此外，傳播延遲和更重要的傳播延遲偏斜典型值分別為業(yè)界領(lǐng)先的50 ns和15 ns。降低死區(qū)時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響如圖4所示；圖中，低電機(jī)速度的逆變器輸出線對(duì)線電壓以?xún)蓚€(gè)不同的死區(qū)時(shí)間水平表示。與光耦合器技術(shù)有關(guān)的更高死區(qū)時(shí)間要求導(dǎo)致更高的電機(jī)電壓和電流失真。這樣便會(huì)增加扭矩紋波和振動(dòng)從而導(dǎo)致性能下降，并且由于諧波損耗增加而降低效率。這些失真效應(yīng)在逆變器應(yīng)用中尤為明顯，控制環(huán)路性能相對(duì)較低；然而，哪怕在高性能驅(qū)動(dòng)以及高帶寬電流和速度控制中，死區(qū)時(shí)間相關(guān)的失真也會(huì)成為極低速性能的限制因素。
圖4. (a) 500 ns死區(qū)時(shí)間以及(b) 1μs死區(qū)時(shí)間測(cè)得的線對(duì)線電機(jī)電壓
隔離電流檢測(cè)
對(duì)于分流式測(cè)量而言，電機(jī)相位電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與柵極驅(qū)動(dòng)器輸出連接相同的電路，如圖2所示。因此，它們具有相同的隔離電壓和開(kāi)關(guān)瞬變。相位電流檢測(cè)對(duì)于高性能閉環(huán)電機(jī)控制而言極為重要，并且不容易在惡劣、充滿(mǎn)電氣噪聲的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高保真測(cè)量。在較高功率系統(tǒng)中，使用自身提供隔離功能的隔離電流傳感器(比如電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器)；而在較低功率系統(tǒng)中，趨勢(shì)是使用帶有隔離式Σ-Δ型調(diào)制器(比如ADIAD7403)的分流電阻。以前的系統(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)(如上文所述)，而之后基于隔離式調(diào)制器的電流檢測(cè)方案可能通過(guò)快速粗調(diào)數(shù)字濾波器直接實(shí)現(xiàn)此功能(O’Byrne)。這便要求隔離式調(diào)制器響應(yīng)和柵極驅(qū)動(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序；ADI的iCoupler®技術(shù)可以做到這一點(diǎn)，而傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案容易受到較長(zhǎng)的傳播延遲影響。
法規(guī)環(huán)境
開(kāi)發(fā)出符合所需性能的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)之后，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)并符合業(yè)界電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。要選擇合適的隔離元件，必須了解柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的隔離要求。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以采用安全隔離(加強(qiáng))、基本絕緣或功能絕緣。任意單個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求可以是安全絕緣以防止電擊，也可以采用隔離以保護(hù)低壓電路，或者采用隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和降噪，如圖1所示。系統(tǒng)級(jí)要求可以通過(guò)使用多個(gè)隔離柵實(shí)現(xiàn)。IEC61800-5-1是已實(shí)施很長(zhǎng)一段時(shí)間的系統(tǒng)級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足該系統(tǒng)絕緣標(biāo)準(zhǔn)。
無(wú)論何種標(biāo)準(zhǔn)，都不涉及元件評(píng)估。IEC61800-5-1建議使用支持系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求的元件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。IEC60747-5-5針對(duì)基于光耦合器的元件，而VDE-0884-10是IEC60747-5-5的非光隔離器版本，針對(duì)數(shù)字隔離器，于2006年開(kāi)始實(shí)施。之后開(kāi)發(fā)了VDE-0884-11并于2014年認(rèn)證通過(guò)，包含額外的壽命特性要求。該標(biāo)準(zhǔn)作為IEC60747-17提交給IEC認(rèn)證，通常需要三年。在此期間，VDE-0884-11可用作IEC的等效標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示。
圖5. 非光隔離器標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)
結(jié)論
新的電機(jī)能效國(guó)際法規(guī)加速了從固定速度、直接在線感應(yīng)電機(jī)到逆變器控制式機(jī)器的轉(zhuǎn)變。通常要求至少采用IGBT柵極驅(qū)動(dòng)和某種形式的電流檢測(cè)來(lái)保護(hù)從簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)逆變器到驅(qū)動(dòng)和伺服中的高保真電流控制。這些電路的技術(shù)要求正不斷將重點(diǎn)放在精確時(shí)序和精確測(cè)量上，以及可靠性和魯棒性上。在法規(guī)框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署對(duì)于信號(hào)隔離提出了重大挑戰(zhàn)。
參考電路
ABB. “ABB’s new SynRM² Motor Technology will Deliver IE5 Efficiency Without Rare Earth Magnets (ABB的SynRM²電機(jī)技術(shù)無(wú)需稀土永磁體將能提供IE5效率)。” ABB 新聞稿。2014年4月3日。
de Almeida, A.T. F. J. T. E. Ferreira和 G. Baoming“. Beyond Induction Motors—Technology Trends to Move Up Efficiency (超越感應(yīng)電機(jī)——提升效率的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì))。”IEEE工業(yè)應(yīng)用匯刊，第50卷，第3期，2014年5/6月。
O’Byrne, N。“適用于工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制的測(cè)量技術(shù)”。ADI公司，2014年。
O’Sullivan, D和M. Moroney。“利用數(shù)字隔離器技術(shù)增強(qiáng)工業(yè)電機(jī)控制性能”。ADI公司，2014年。
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導(dǎo)體。
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