電機(jī)和電源控制逆變器設(shè)計人員都會遇到相同的問題，即如何將控制和用戶接口電路與危險的功率線路電壓隔離。隔離最主要的要求是方式功率線路電壓損壞控制電路，更重要的是，保護(hù)用戶受到危險電壓傷害。系統(tǒng)必須符合相應(yīng)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全要求，例如涵蓋電機(jī)驅(qū)動和太陽能逆變器的IEC 61800和IEC62109。這些標(biāo)準(zhǔn)主要注重符合性測試。

標(biāo)準(zhǔn)的符合性測試會如何賦予工程師自由度？標(biāo)準(zhǔn)會在安全性方面為工程師提供指導(dǎo)，但如何賦予工程師自由度，以便可以選擇符合目標(biāo)系統(tǒng)規(guī)格以及標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)架構(gòu)、電路和元件呢？這些是由電路滿足在效率、帶寬和精度方面提供系統(tǒng)所需性能，同時又滿足安全隔離要求來決定的。設(shè)計創(chuàng)新系統(tǒng)的難題是，為現(xiàn)有架構(gòu)、電路和元件制定的設(shè)計規(guī)則可能不再適用。

因此，工程師需要花時間認(rèn)真評估新電路或元件符合EMC和安全性標(biāo)準(zhǔn)的能力。某些地區(qū)工程師的責(zé)任更大，一旦所設(shè)計系統(tǒng)的安全功能失效并導(dǎo)致傷害，工程師可能需要承擔(dān)個人責(zé)任。

本文探討了系統(tǒng)架構(gòu)選擇對電源和控制電路設(shè)計以及系統(tǒng)性能的影響。本文還將說明最新可用隔離元件的性能提升如何幫助替代架構(gòu)在不影響安全性的前提下提升系統(tǒng)性能。

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隔離架構(gòu)

我們關(guān)心的問題是您需要根據(jù)用戶提供的命令，安全地控制從交流電源到負(fù)載的能量流動。此問題在圖1所示的高電平電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)圖中針對以下三個電源域進(jìn)行了闡述：給定、控制和功率。安全性要求是，用戶給定電路必須與功率電路上的危險電壓進(jìn)行電位隔離。架構(gòu)決策取決于隔離柵放置在給定和控制電路之間還是控制和功率電路之間。在電路之間引入隔離柵會影響信號完整性并增加成本。

模擬反饋信號的隔離尤其困難，因為傳統(tǒng)變壓器方法會抑制直流信號分量并引入非線性。低速時的數(shù)字信號隔離相當(dāng)簡單，但在高速或需要低延遲時則非常困難，并且耗電量巨大。帶3相逆變器的系統(tǒng)中的電源隔離尤為困難，因為有多個電源域連接至電源電路。電源電路有四個不同域，這些域需彼此之間需要功能性隔離；所以高端柵極驅(qū)動和繞組電流信號需要與控制電路功能性隔離，即使兩者可能與功率地共地。

圖1. 電機(jī)控制系統(tǒng)中的隔離架構(gòu)

非隔離式控制架構(gòu)在控制和電源電路之間存在共同的接地連接。這樣電機(jī)控制ADC可獲取電源電路中的所有信號。電機(jī)繞組電流流入低側(cè)逆變器臂時，ADC在基于中心的PWM信號的中點處進(jìn)行采樣。低側(cè)IGBT柵極的驅(qū)動器可以是簡單的非隔離式，但PWM信號須經(jīng)由具有功能性隔離或電平移位轉(zhuǎn)換實現(xiàn)與三個高側(cè)IGBT柵極隔離。命令和控制電路之間的隔離造成的復(fù)雜性取決于最終應(yīng)用，但通常涉及使用獨立系統(tǒng)和通信處理器。簡單處理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上發(fā)送速度命令的架構(gòu)在家用設(shè)備或低端工業(yè)應(yīng)用中可以接受。由于命令接口的高帶寬要求，非隔離式架構(gòu)在用于機(jī)器人和自動化應(yīng)用的高性能驅(qū)動器中較少見。

隔離式控制架構(gòu)在控制和命令電路之間存在共同的接地連接。這使得控制和命令接口之間可以實現(xiàn)非常緊密的耦合，并且可使用單個處理器。隔離問題轉(zhuǎn)到電源逆變器信號上來，從而帶來一系列不同挑戰(zhàn)。柵極驅(qū)動信號需要相對高速的數(shù)字隔離來滿足逆變器的時序要求。由于存在非常高的電壓，磁性或光學(xué)耦合的驅(qū)動器在隔離要求極高的逆變器應(yīng)用中表現(xiàn)良好。直流母線電壓隔離電路的要求則適中，這是因為其需要的動態(tài)范圍和帶寬較低。電機(jī)電流反饋是高性能驅(qū)動器中最大的難題，因為其需要高帶寬和線性隔離。電流互感器(CT)是很好的選擇，因為它們提供的隔離信號能夠輕松測量。CT在低電流時具有非線性，不會傳輸直流電平，但廣泛用于低端逆變器中。CT還用于帶非隔離式控制架構(gòu)的大功率逆變器，因為這些場合下采用分流電阻采樣會導(dǎo)致?lián)p耗太大。開環(huán)和閉環(huán)霍爾效應(yīng)電流傳感器可測量交流信號，因此更適合高端驅(qū)動器，但受失調(diào)影響。阻性分流器可提供高帶寬、線性信號，而且偏移低，但需要與高帶寬、低偏移隔離放大器相匹配。通常，電機(jī)控制ADC可直接采樣隔離電流信號，但下一節(jié)描述的替代測量架構(gòu)可將隔離問題轉(zhuǎn)移到數(shù)字域，并且能夠大幅提升性能。