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二十多年來，電動機(jī)能效一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)注的焦點(diǎn)。這是通過提高電力使用效率和使用可再生能源轉(zhuǎn)換一些能源來實(shí)現(xiàn)最大限度減少碳排放的全球努力的一部分。早期的運(yùn)動效率法規(guī)是自愿的，但很快，這些法規(guī)成為強(qiáng)制性要求，最低效率水平每五到十年增加一次。鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)（SQIM）自電力普及以來一直是業(yè)界的主力，因?yàn)樗梢栽谥苯舆B接到三相交流電源時啟動和運(yùn)行。當(dāng)前的IEC標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)額定功率對這些電機(jī)的效率進(jìn)行了分類，其范圍從標(biāo)準(zhǔn)效率（IE1）到超高效率（IE4）。今天，IE3的高效率水平在世界上最大的工業(yè)區(qū)域（包括歐盟，美國，中國和日本）是強(qiáng)制性的。工廠運(yùn)營商并沒有抵制這種變化，因?yàn)殡姍C(jī)的資本成本只是電機(jī)壽命期間電力成本的一小部分。即使在更換具有15kW超高效率IE4電機(jī)的高效電機(jī)的情況下，也可以在兩年內(nèi)節(jié)省額外成本。電機(jī)效率要求的這種趨勢已經(jīng)使許多設(shè)備制造商從直接離線電機(jī)轉(zhuǎn)向基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種體系結(jié)構(gòu)，以及它們的驅(qū)動和信號隔離要求是本文討論的主題。

到目前為止，SQIM制造商已將更嚴(yán)格的效率法規(guī)視為市場機(jī)遇。與標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)相比，高級和超高效電機(jī)在材料，設(shè)計和制造方面的成本更高，但它們的市場價格更高。然而，新的IEC效率分級IE5和IE6的開發(fā)將給電機(jī)制造商帶來問題。電機(jī)專家認(rèn)為，設(shè)計線路連接SQIM以達(dá)到高于IE4的效率水平將是非常困難和昂貴的，特別是在較低功率范圍內(nèi)（de Almeida）。最有可能的是，只有逆變器連接的電機(jī)才能滿足IE5和更高的效率水平。永磁同步電機(jī)（PMSM）傳統(tǒng)上被選用于超高效應(yīng)用，但是稀土轉(zhuǎn)子磁鐵的成本和可用性是一個問題。使用鐵氧體磁鐵或?yàn)橹С植粩嘣鲩L的電動車市場而開發(fā)的新磁性材料的新型軸向電機(jī)設(shè)計可以緩解這些問題。IE5效率等級驅(qū)動器（ABB）也正在認(rèn)真考慮同步磁阻電動機(jī)（SRM）。SRM既沒有轉(zhuǎn)子繞組也沒有磁鐵，與同等額定功率的等效SQIM相比，它以更低的成本和框架尺寸支持高效率。

逆變器和隔離

這種更高效電機(jī)的趨勢正在增加對基于IGBT的變頻器的需求，該變頻器將整流的電源輸入轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)的可變頻率電壓。變頻器控制的電機(jī)具有與軸負(fù)載最佳匹配的輸出扭矩或速度，以最小化能量消耗，降低電機(jī)運(yùn)行溫度并提高電機(jī)可靠性。增加的價值控制功能，如狀態(tài)監(jiān)測，電能計量和工廠網(wǎng)絡(luò)連接，可提高過程效率和可靠性。隔離技術(shù)是驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，因?yàn)樗梢园踩貙⒖刂破饔脩艚缑媾c連接到逆變器的危險高壓隔離開來。

幾個高級別因素會影響給定驅(qū)動器中的隔離要求和架構(gòu); 這些包括電機(jī)驅(qū)動器性能水平，通信接口的復(fù)雜性，控制器架構(gòu)以及系統(tǒng)中遇到的電壓水平，如圖1所示。

在許多情況下，關(guān)鍵隔離節(jié)點(diǎn)是柵極驅(qū)動器和電機(jī)相電流感測電路。兩個位置都涉及以切換的高電壓電平為參考的受控或測量信號，并且必須至少包括某種形式的電平移位，并且在許多情況下包括隔離（功能或安全）以便應(yīng)用或提取接地參考信號。

這在圖2的概念示意圖中示出，其描繪了單個逆變器相臂，其中指示了高側(cè)柵極驅(qū)動器信號和相電流分流測量信號的電平移位和電位信號隔離要求。

隔離門驅(qū)動器

從圖2中還可以看出隔離柵極驅(qū)動器的基本要求。這些要求包括邏輯電平開關(guān)信號的功能或安全隔離，以及能夠驅(qū)動IGBT柵極電壓超過導(dǎo)通和關(guān)閉閾值的輸出驅(qū)動器。在所需的時刻切換IGBT，最大限度地減少器件導(dǎo)通損耗，開關(guān)損耗和EMI產(chǎn)生。在三相逆變器中，IGBT被反相控制，使得高側(cè)和低側(cè)IGBT永遠(yuǎn)不會在一起，即使在短時間內(nèi)也是如此。這需要在高側(cè)和低側(cè)開關(guān)信號之間插入一個小的死區(qū)時間。在系統(tǒng)性能和IGBT保護(hù)（O'Sullivan）的背景下，最小化這個死區(qū)時間至關(guān)重要。

IGBT導(dǎo)通需要將IGBT驅(qū)動到飽和區(qū)域，在此處導(dǎo)通損耗將最小化。這通常意味著導(dǎo)通電壓> 12 V. IGBT關(guān)斷需要將IGBT驅(qū)動到工作的截止區(qū)域，這樣一旦高端IGBT導(dǎo)通，它就能成功阻斷其上的反向高壓。原則上，這可以通過將IGBT柵極發(fā)射極電壓降低到0V來實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)高側(cè)晶體管導(dǎo)通時必須考慮次要影響。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速轉(zhuǎn)換導(dǎo)致瞬態(tài)感應(yīng)電流流入低側(cè)IGBT寄生米勒電容（圖3中的C _GD）。該電流流過低側(cè)柵極驅(qū)動器（Z _DRIVER）的關(guān)斷阻抗如圖3所示，在低端IGBT柵極發(fā)射極端子處產(chǎn)生瞬態(tài)電壓反彈，如圖所示。如果此電壓超過IGBT閾值電壓V _TH，則可能導(dǎo)致低側(cè)IGBT短暫導(dǎo)通，導(dǎo)致逆變器支路瞬間射穿，增加功耗并降低可靠性。

通常有兩種方法來解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通 - 使用雙極電源和/或增加米勒鉗位。在柵極驅(qū)動器的隔離側(cè)接受雙極電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，-7.5 V的負(fù)電源軌意味著通常需要> 8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變來引起虛假導(dǎo)通。這通常足以防止虛假開啟。一種互補(bǔ)的方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換之后的一段時間內(nèi)減小柵極驅(qū)動器電路的關(guān)斷阻抗。這被稱為米勒鉗位電路。電容電流現(xiàn)在流入較低阻抗電路，從而降低了電壓瞬變的幅度。通過利用非對稱柵極電阻器來導(dǎo)通和關(guān)斷，可以提供控制開關(guān)速率的額外靈活性。所有這些柵極驅(qū)動器功能都對整個系統(tǒng)的可靠性和效率產(chǎn)生積極影響。

電動機(jī)驅(qū)動器中的過電流保護(hù)通常在幾個級別上實(shí)現(xiàn)。持續(xù)過電流和瞬態(tài)過電流之間的區(qū)別可以包括在驅(qū)動保護(hù)方案中，并且這些過電流事件具有不同的跳閘水平和時間常數(shù)。這種過流保護(hù)通�；陔娏鳒y量來實(shí)現(xiàn)。對于非�？焖偾铱赡馨l(fā)生災(zāi)難性的過流事件，例如逆變器輸出上的短路，在柵極驅(qū)動器內(nèi)集成快速動作保護(hù)機(jī)制可能是有利的。通過在IGBT導(dǎo)通時監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓來實(shí)現(xiàn)去飽和保護(hù)。當(dāng)IGBT飽和時，導(dǎo)通狀態(tài)電壓是IGBT內(nèi)電流水平的函數(shù)，并且該保護(hù)功能可以設(shè)計為觸發(fā)故障并且一旦導(dǎo)通狀態(tài)電壓增加超過可接受的水平就快速關(guān)斷IGBT。存在短消隱時間，在此期間保護(hù)電路不監(jiān)視IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。這包括在開啟事件期間由于集電極發(fā)射極電壓轉(zhuǎn)換和/或瞬態(tài)過電流而在開啟時防止誤觸發(fā)。

該ADUM4135ADI公司的隔離柵極驅(qū)動器具有雙極性電源，米勒鉗位和非對稱導(dǎo)通和關(guān)斷輸出。此外，傳播延遲以及更重要的傳播延遲偏差分別是業(yè)界領(lǐng)先的50 ns和15 ns的典型值。減少死區(qū)時間的系統(tǒng)影響如圖4所示，其中描述了兩個不同死區(qū)時間的逆變器輸出線到低電機(jī)速度的線電壓。與光耦合器技術(shù)相關(guān)的死區(qū)時間要求增加導(dǎo)致電機(jī)電壓和電流失真增加。這降低了轉(zhuǎn)矩脈動和振動增加的性能，以及由于增加的諧波損耗而降低的效率。這些失真效應(yīng)在逆變器應(yīng)用中尤為明顯，

圖4.在（a）500 ns死區(qū)時間（b）1μs死區(qū)時間測得的線電機(jī)電壓。

隔離電流感

電機(jī)相電流檢測節(jié)點(diǎn)連接到與柵極驅(qū)動器輸出相同的電路節(jié)點(diǎn)，如圖2所示，用于基于分流的測量。因此，它們經(jīng)歷相同的隔離電壓和開關(guān)瞬變。相電流檢測對于高性能閉環(huán)電機(jī)控制至關(guān)重要，在這種惡劣的電噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高保真測量并非易事。在高功率系統(tǒng)中，使用隔離電流傳感器，如電流互感器或霍爾效應(yīng)傳感器，其中隔離是固有的，而在低功率系統(tǒng)中，趨勢是使用具有隔離Σ-Δ調(diào)制器的分流電阻，如AD7403來自ADI公司。前面的系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動器功能來實(shí)現(xiàn)所概述的短路過電流保護(hù)，而后一種基于調(diào)制器的隔離電流感測方案可以通過快速粗略的數(shù)字濾波器（O'Byrne）直接實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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