电源逆变器应用中隔离架构、电路和元件的选择

作者:Aengus Murray 和Robert Zwicker,ADI公司

电机和电源控制逆变器设计人员都会遇到相同的问题,即如何将控制和用户接口电路与危险的功率线路电压隔离。隔离最主要的要求是方式功率线路电压损坏控制电路,更重要的是,保护用户受到危险电压伤害。系统必须符合相应国际标准规定的安全要求,例如涵盖电机驱动和太阳能逆变器的IEC 61800和IEC62109。这些标准主要注重符合性测试。标准的符合性测试会如何赋予工程师自由度?标准会在安全性方面为工程师提供指导,但如何赋予工程师自由度,以便可以选择符合目标系统规格以及标准的相应架构、电路和元件呢?这些是由电路满足在效率、带宽和精度方面提供系统所需性能,同时又满足安全隔离要求来决定的。设计创新系统的难题是,为现有架构、电路和元件制定的设计规则可能不再适用。因此,工程师需要花时间认真评估新电路或元件符合EMC和安全性标准的能力。某些地区工程师的责任更大,一旦所设计系统的安全功能失效并导致伤害,工程师可能需要承担个人责任。本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计以及系统性能的影响。本文还将说明最新可用隔离元件的性能提升如何帮助替代架构在不影响安全性的前提下提升系统性能。

隔离架构
我们关心的问题是您需要根据用户提供的命令,安全地控制从交流电源到负载的能量流动。此问题在图1所示的高电平电机驱动系统图中针对以下三个电源域进行了阐述:给定、控制和功率。安全性要求是,用户给定电路必须与功率电路上的危险电压进行电位隔离。架构决策取决于隔离栅放置在给定和控制电路之间还是控制和功率电路之间。在电路之间引入隔离栅会影响信号完整性并增加成本。模拟反馈信号的隔离尤其困难,因为传统变压器方法会抑制直流信号分量并引入非线性。低速时的数字信号隔离相当简单,但在高速或需要低延迟时则非常困难,并且耗电量巨大。带3相逆变器的系统中的电源隔离尤为困难,因为有多个电源域连接至电源电路。电源电路有四个不同域,这些域需彼此之间需要功能性隔离;所以高端栅极驱动和绕组电流信号需要与控制电路功能性隔离,即使两者可能与功率地共地。

图1. 电机控制系统中的隔离架构

图1. 电机控制系统中的隔离架构

非隔离式控制架构在控制和电源电路之间存在共同的接地连接。这样电机控制ADC可获取电源电路中的所有信号。电机绕组电流流入低侧逆变器臂时,ADC在基于中心的PWM信号的中点处进行采样。低侧IGBT栅极的驱动器可以是简单的非隔离式,但PWM信号须经由具有功能性隔离或电平移位转换实现与三个高侧IGBT栅极隔离。命令和控制电路之间的隔离造成的复杂性取决于最终应用,但通常涉及使用独立系统和通信处理器。简单处理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上发送速度命令的架构在家用设备或低端工业应用中可以接受。由于命令接口的高带宽要求,非隔离式架构在用于机器人和自动化应用的高性能驱动器中较少见。

隔离式控制架构在控制和命令电路之间存在共同的接地连接。这使得控制和命令接口之间可以实现非常紧密的耦合,并且可使用单个处理器。隔离问题转到电源逆变器信号上来,从而带来一系列不同挑战。栅极驱动信号需要相对高速的数字隔离来满足逆变器的时序要求。由于存在非常高的电压,磁性或光学耦合的驱动器在隔离要求极高的逆变器应用中表现良好。直流母线电压隔离电路的要求则适中,这是因为其需要的动态范围
和带宽较低。电机电流反馈是高性能驱动器中最大的难题,因为其需要高带宽和线性隔离。电流互感器(CT)是很好的选择,因为它们提供的隔离信号能够轻松测量。CT在低电流时具有非线性,不会传输直流电平,但广泛用于低端逆变器中。CT还用于带非隔离式控制架构的大功率逆变器,因为这些场合下采用分流电阻采样会导致损耗太大。开环和闭环霍尔效应电流传感器可测量交流信号,因此更适合高端驱动器,但受失调影响。阻性分流器可提供高带宽、线性信号,而且偏移低,但需要与高带宽、低偏移隔离放大器相匹配。通常,电机控制ADC可直接采样隔离电流信号,但下一节描述的替代测量架构可将隔离问题转移到数字域,并且能够大幅提升性能。

使用隔离式转换器的逆变器反馈
改善隔离系统线性度的一种常见方法是将ADC移至隔离栅的另一侧并隔离数字信号。在许多情况下,这需要将串联ADC与数字信号隔离器结合使用。由于对电机电流反馈存在高频的特殊要求,以及需要对驱动保护进行快速响应,因此可选择Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC配有一个可将模拟信号转换为一位码流的线性调制器,其后配备可将信号重构为高分辨率数字字的数字滤波器。此方法的好处是可使用两种不同的数字滤波器:较慢的用于高保真反馈,另一个低保真快速滤波器用于保护逆变器。在图2中,绕组分流器用于测量电机绕组电流,隔离式ADC用于在隔离栅上传输10 MHz数据流。Sinc滤波器可将高分辨率电流数据提交给电机控制算法,该算法会计算施加所需逆变器电压需要的逆变器占空比。另一个低分辨率滤波器可检测电流过载,并在出现故障时将跳变信号发送至PWM调制器。Sinc滤波器频率响应曲线解释说明了合适的参数选择如何能够使滤波器抑制电流采样中的PWM开关纹波。

图2. 隔离式电流反馈

图2. 隔离式电流反馈

图3. Sinc滤波器频率响应

图3. Sinc滤波器频率响应

电源输出隔离
两种控制架构的共同问题是需要支持多个隔离电源域。如果每个域需要多个偏置轨,就更加难以实现。图4的电路可产生+15 V和–7.5 V电压用于栅极驱动,+5 V电压用于为ADC供电,均在一个域中,同时每个域仅使用一个变压器绕组和两个引脚。使用一个变压器磁芯和骨架为四个不同电源域创造双电源或三电源。

图4. 栅极驱动和电流反馈转换器的隔离电源电路

图4. 栅极驱动和电流反馈转换器的隔离电源电路

作者简介
Aengus Murray是ADI公司汽车、能源和传感器部门的电机和电源控制应用经理。他负责工业电机和电源控制的整个ADI信号链产品,拥有爱尔兰都柏林大学电气工程学士和博士学位。他在功率电子行业拥有超过30年的丰富经验,曾先后在Rectifier、Kollmorgen Industrial Drives和都柏林城市大学工作。联系方式: aengus.murray@analog.com