電源逆變器應用中的隔離架構、電路和元件選擇

作者：Aengus Murray and Robert Zwicker

電機和功率控制逆變器設計人員共享將控制和用戶界面電路與危險電源線電壓隔離的常見問題。其關鍵要素是防止電源線電壓損壞控制電路的基本要求，更重要的是，保護用戶免受危險電壓的影響。系統必須符合國際標準（如IEC 61800和IEC 62109）定義的安全要求，這些標準涵蓋了電機驅動器和太陽能逆變器等應用。標準主要側重于合規性測試。標準的一致性測試如何賦予工程師自由？它為工程師提供安全方面的指導，但它如何提供自由，以便工程師可以選擇滿足目標系統規范（包括標準合規性）所需的適當架構、電路和組件？這些決策受電路在效率、帶寬和精度方面提供所需系統性能的能力的影響，同時仍滿足安全隔離要求。設計創新系統的挑戰在于，為現有架構、電路和組件開發的設計規則可能不再適用。因此，工程師需要投入時間仔細評估新電路或組件的能力，以滿足EMC和安全標準。在某些地區，負擔更加繁重，因為如果工程師因他設計的系統的安全功能故障而造成傷害，工程師可能要承擔個人責任。本文探討了系統架構選擇對電源和控制電路設計的影響以及對系統性能的影響。它將展示最近可用的隔離組件的性能改進如何使替代架構能夠在不影響安全性的情況下提供系統性能改進。

隔離架構

問題是您需要根據用戶提供的命令安全地控制從交流電源到負載的功率流。這個問題在圖1所示的高級電機驅動系統圖中描述了三個電源域：命令、控制和電源。安全約束是用戶命令電路必須與電源電路上的危險電壓電氣隔離。架構決策基于是將隔離柵放置在命令和控制電路之間，還是將其放置在控制和電源電路之間。在任何電路之間引入隔離柵都會危及信號完整性并增加成本。模擬反饋信號的隔離尤其具有挑戰性，因為經典的變壓器方法抑制直流信號分量并引入非線性。數字信號隔離在低速時相對容易，但在高速或需要低延遲時更具挑戰性和功耗。在具有三相逆變器的系統中，電源隔離具有驚人的挑戰性，因為電源電路上有多個電源域。電源電路有四個不同的域，需要在功能上相互隔離;因此，高端柵極驅動和繞組電流信號需要在功能上與控制電路隔離，即使兩者都可能以電源接地為基準。

圖1.電機控制系統中的隔離架構。

非隔離控制架構在控制和電源電路之間具有公共接地連接。這使電機控制ADC能夠訪問電源電路中的所有信號。當電機繞組電流流經低側逆變器支路時，ADC對基于中心的PWM信號中點的電機繞組電流進行采樣。低側IGBT柵極的驅動器可以是簡單的非隔離類型，但PWM信號需要與具有功能隔離或電平轉換的三個高邊IGBT柵極隔離。命令和控制電路之間的隔離所帶來的復雜性取決于最終應用，但通常涉及使用單獨的系統和通信處理器。這在家用電器或低端工業應用中是可以接受的，在這些應用中，簡單的處理器管理前面板接口并通過慢速串行接口發送速度命令。由于命令接口的帶寬要求很高，非隔離架構在機器人和自動化中使用的高性能驅動器中不太常見。

隔離控制架構在控制和命令電路之間具有公共接地連接。這允許控制和命令接口之間非常緊密的耦合，并允許使用單個處理器。隔離問題轉移到功率逆變器信號上，帶來了一系列不同的挑戰。柵極驅動信號需要相對高速的數字隔離，以滿足逆變器的時序要求。磁性或光耦合驅動器在逆變器應用中運行良好，由于存在非常高的電壓，隔離要求非常嚴格。由于所需的動態范圍和帶寬較低，因此對直流母線電壓隔離電路的要求適中。電機電流反饋是高性能驅動器面臨的最大挑戰，因為需要高帶寬、線性隔離。電流互感器（CT）是一個顯而易見的選擇，因為它們提供易于縮放的隔離信號。CT在低電流下具有非線性，不傳輸直流電平，但廣泛用于低端逆變器。CT也用于具有非隔離控制架構的高功率逆變器，因為分流損耗變得過大。開環和閉環霍爾效應電流傳感器可以測量直流，因此它們更適合高端驅動器，但存在偏移。阻性分流器提供具有低失調的高帶寬線性信號，但需要與高帶寬、低失調隔離放大器匹配。通常，電機控制ADC直接對隔離電流信號進行采樣，但下一節中介紹的替代測量架構將隔離問題轉移到數字域，并顯著提高了性能。

使用隔離式轉換器的逆變器反饋

改善隔離系統線性度的常用方法是將ADC移至隔離柵的另一側，并對數字信號進行隔離。在許多情況下，這使用串行ADC和數字信號隔離器。對電機電流反饋的高頻與驅動保護的快速響應的特定要求將ADC選擇轉向Σ-Δ型。Σ-Δ ADC 具有一個線性調制器，可將模擬信號轉換為單個比特流，然后是一個數字濾波器，將信號重建為高分辨率數字字。這種方法的優點在于可以使用兩種不同的數字濾波器;一個較慢的用于高保真回饋，第二個低保真快速濾波器用于逆變器保護。在圖2中，繞組分流器測量電機繞組電流，隔離ADC跨越隔離柵發送10 MHz數據流。sinc濾波器向電機控制算法提供高分辨率電流數據，該算法計算施加所需逆變器電壓所需的逆變器占空比。第二個較低分辨率的濾波器檢測電流過載，并在發生故障時向PWM調制器發送跳閘信號。sinc濾波器頻率響應曲線說明了適當的參數選擇如何使濾波器能夠抑制來自當前樣本的PWM開關紋波。

圖2.隔離式電流反饋。

圖3.Sinc濾波器頻率響應。

電源輸出隔離

兩種控制架構的共同問題是需要支持多個隔離電源域。如果每個域中需要多個偏置軌，則這更加困難。圖4所示電路可高效產生+15 V和–7.5 V柵極驅動電壓和+5 V電壓ADC供電電壓，全部在一個域中，每個域僅使用一個變壓器繞組和兩個引腳。這種設計使得使用單個變壓器鐵芯和線軸為四個不同的電源域創建雙電源或三電源軌成為可能。

圖4.用于柵極驅動器和電流反饋轉換器的隔離電源電路。

審核編輯：郭婷