[资料分享] TI博文--电容隔离如何解决交流电机驱动中的关键挑战

在交流电机驱动中实现隔离

设计人员在交流电机驱动中实现隔离隔栅时有多种选择，但过去40年来，在系统中实现电流隔离的最常用器件一直是光耦合器，也称为光隔离器或光电耦合器。尽管光耦合器具有成本效益且普遍存在，但其无法提供与最新隔离方法同等水平的温度性能或器件寿命。

TI的电容隔离技术在将二氧化硅（基础片上绝缘）用作电介质的电容电路中集成了增强的信号隔离功能。与光耦合器不同，其可将隔离电路与其他电路集成在同一芯片上。通过此工艺制造的隔离器具有可靠性、防震性和增强的隔离性，相当于单个封装中的两个基本隔离等级。

有关TI创新的基于电容的增强型隔离的更多信息，请参见白皮书“[url=http://www.ti.com/lit/sszy028]实现高压信号隔离质量和可靠性。”

以下各部分探讨了交流电机驱动设计中与隔离相关的三个关键设计挑战，同时还重点介绍了电容隔离相较于光耦合器的优势。

隔离功率级中的栅极驱动器

交流电机驱动的功率级中使用的功率转换器拓扑是用于传输千瓦至兆瓦范围内功率的三相逆变器拓扑。这些逆变器将直流电源转换为交流电源。典型的直流总线电压为600 V-1,200V。该三相逆变器使用六个隔离式栅极驱动器来打开和关闭电源开关（通常是一组绝缘栅门极晶体管[IGBTs]或IGBT模块）。由于其卓越的性能，设计人员开始使用宽带隙器件，例如碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）或模块。

每个相都使用通常处在20kHz至30kHz范围内工作的高侧和低侧IGBT开关，以交替模式向电机绕组施加正负高压直流脉冲。每个IGBT或SiC模块均由单个隔离式栅极驱动器驱动。栅极驱动器的高压输出与来自控制器的低压控制输入之间的隔离是产生电流的。栅极驱动器将来自控制器的脉冲宽度调制（PWM）信号转换为用于场效应晶体管（FETs）或IGBTs的栅极脉冲。此外，这些栅极驱动器需要具有集成的保护功能，例如去饱和作用、有源米勒钳位和软关断。

隔离栅极驱动器具有两侧：初级侧（即输入级）和次级侧（与FET连接）。初级侧有两种类型的输入级：基于电压和基于电流的输入级。通过输入级，栅极驱动器可以连接到能够告知栅极驱动器在指定时间打开或关闭的控制器。

使用基于电流的输入级的光耦合器栅极驱动器通常在电机驱动应用中驱动IGBTs。基于电流的输入级往往具有较好的抗噪能力，因此需要在控制器和光耦合器之间设置一个缓冲级。使用缓冲级的基于电流的输入级驱动器的功耗通常也会更高。

传统光耦合器栅极驱动器确实存在着一些挑战：

—  输入级中的LED的性能会随着时间的推移而降低，这会影响器件寿命，并可能导致传播延迟时间增长，进而影响系统性能。

—  它们较低的共模瞬变抗扰度（CMTI）限制了功率FETs的切换速度。

—  它们通常仅支持较低的工作温度范围，因此很难创造出更紧凑的设计。

TI提供了使用电容隔离技术的隔离栅极驱动器，以帮助克服光耦合器中一些常见的设计难题。

图3对比了传统的光耦合器栅极驱动器与TI使用电容隔离的隔离栅极驱动器。TI的电容隔离栅极驱动器具有更高的CMTI额定值、更宽的工作温度范围以及改进的计时规范，例如，部件到部件的偏斜和传播延迟。要了解有关TI栅极驱动器CMTI性​​能的更多信息，请阅读应用指南“隔离式栅极驱动器的共模瞬态抗扰性。”

隔离电流和电压反馈

交流电机驱动使用由电压和电流反馈测量值组成的闭环控制系统来控制交流电机的速度和扭矩。由于电压和电流反馈需在高压侧测量，因此信号必须与低压控制器侧隔离。

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在电机的三相中的每相上测得的同轴相电流用于导出控制IGBTs的最佳PWM模式。这些同轴相电流测量的准确性、噪声、带宽、延迟和CMTI直接影响电机的扭矩和速度输出曲线。

如图4所示，电容耦合隔离式放大器和调制器和光耦合同类产品相比，具有更少的信号传播延迟、更佳的CMTI以及更长的寿命和可靠性。

应用指南“[url=http://www.ti.com/lit/sbaa293]在HEV/EV中比较基于分流和霍尔的隔离电流感应解决方案”详细比较了基于分流和基于霍尔的电流感应方法之间的隔离等级、精度、温度范围、带宽和噪声等方面。

图5所示为使用隔离式放大器进行基于分流的电流感应和基于电阻分压器的电压感应的反馈感应环路的典型框图。通过分流电阻器RSHUNT来完成对相电流的测量。