【導讀】二十多年來，電機電能效率一直是全球能源監(jiān)管機構(gòu)關注的重點。這是全球共同努力的一部分，旨在通過增加電能利用率以及使用可再生源發(fā)電，達到最大程度減少碳排放的目的。早期的電機效率法規(guī)是自愿的，但很快這些法規(guī)就變成強制性的了，并且每5至10年就會提高最低能效水平要求。
鼠籠式感應電機(SQIM)自人類普及用電之后便一直是工業(yè)的主力軍，因為它在直接連接三相交流電源后便可開始工作。當前的IEC標準依據(jù)功率額定值將這些電機的效率分為各種等級，范圍從標準效率(IE1)到超頂級效率(IE4)。今天，IE3頂級效率在世界上最大的工業(yè)區(qū)內(nèi)是強制標準，這些地區(qū)包括歐盟、美國、中國和日本。廠商并沒有抗拒這一變化，因為在電機的壽命期間，電機的資本投入只是電費的一小部分。哪怕將頂級效率電機替換為15 kW超頂級效率IE4電機，其額外的成本也會在兩年內(nèi)通過節(jié)約的電費收回。電機效率要求的這種趨勢迫使很多設備制造商拋棄直接離線電機，轉(zhuǎn)而使用基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種架構(gòu)以及驅(qū)動和信號隔離要求是本文所要討論的主題。
SQIM制造商目前為止一直將更為嚴格的法規(guī)視為市場機遇。頂級效率和超頂級效率電機的材料、設計、制造成本相比標準效率電機更高，但市場售價也更高。然而，最新的效率分類等級IE5和IE6將對電機制造商造成不少困擾。電機專家相信，要設計線路連接式的SQIM來滿足高于IE4的效率等級——尤其是較低功率范圍(de Almeida)——將會是十分困難且成本高昂的。極有可能只有逆變器連接式電機才能滿足IE5或更高的效率等級。永磁同步電機(PMSM)通常用于超高效率應用，但稀土轉(zhuǎn)子磁體的成本和獲取性是個問題。最新的軸向電機設計中使用鐵氧體磁珠或新的磁體材料，這些材料是為滿足不斷增長的電動汽車市場而開發(fā)，可緩解這些問題。此外，人們正在考慮針對IE5效率等級驅(qū)動(ABB)采用同步磁阻電機(SRM)。SRM既沒有轉(zhuǎn)子繞組也沒有磁體，能以較低的成本實現(xiàn)高效率，框架尺寸與同等功率額定值的SQIM相當。
逆變器和隔離
這種使用效率更高電機的趨勢推動了基于IGBT的頻率逆變器需求，可將整流市電輸入轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機的各種頻率電壓。逆變器控制型電機的輸出扭矩或速度經(jīng)優(yōu)化后匹配軸負載，可最大程度降低能耗和電機運行溫度，改善電機可靠性。此外，其附加控制功能有：狀態(tài)監(jiān)控、功率計量和工廠網(wǎng)絡連接，可提高過程效率和可靠性。隔離技術是驅(qū)動系統(tǒng)中的關鍵因素，因為它能安全地將控制器用戶界面與連接逆變器的危險高電壓相隔離。
有多種高等級因素會影響特定驅(qū)動中的隔離要求和架構(gòu)，這些因素包括：電機驅(qū)動性能等級、通信接口的復雜性、控制器架構(gòu)以及系統(tǒng)內(nèi)的電壓水平，如圖1所示。
圖1. 電機控制架構(gòu)
很多情況下，關鍵的隔離節(jié)點是柵極驅(qū)動器和電機相位電流檢測電路。這兩處均涉及與開關高電壓有關的控制或測量信號，并且至少包含某種形式的電平轉(zhuǎn)換，很多時候還包括隔離(功能隔離或安全隔離)，以便施加或提取以地為參考的信號。
參見圖2中的概念圖；該圖描述了單個逆變器相位臂，并標出了高端柵極驅(qū)動器信號和相位分流檢測信號的電平轉(zhuǎn)換和潛在的信號隔離要求。
圖2. 三相逆變器臂參考信號
隔離式柵極驅(qū)動器
由圖2還能看出一個隔離柵極驅(qū)動器的基本要求，包括：邏輯電平開關信號的功能或安全隔離，以及可驅(qū)動IGBT柵極電壓通過開啟和關斷閾值的輸出驅(qū)動器(以便在最短時間間隔內(nèi)開關IGBT，從而最大程度減少設備的導通損耗、開關損耗和EMI)。在三相逆變器中，IGBT以相反方向進行控制，以便高端和低端IGBT始終無法同時導通，哪怕時間很短。這就要求在高端和低端開關信號之間插入一個小的死區(qū)時間片段。最大程度縮短這個死區(qū)時間段無論對系統(tǒng)性能還是對IGBT保護而言都非常重要(O’Sullivan)。
IGBT導通要求IGBT驅(qū)動至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導通損耗最低。這通常意味著導通電壓要大于12 V。IGBT關斷要求IGBT驅(qū)動至工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導通時成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講，可以通過使IGBT柵極發(fā)射極電壓下降至0 V實現(xiàn)該目標。但是，必須考慮高端晶體管導通時的副作用。開關節(jié)點電壓的快速變化導致瞬態(tài)感應電流流過低端IGBT寄生密勒電容(圖3中的CGD)。該電流流過低端柵極驅(qū)動器(圖3中的ZDRIVER)關斷阻抗，在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個瞬變電壓反彈，如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上，則會導致低端IGBT的短暫導通，從而形成瞬態(tài)沖擊電流，流過逆變器臂，增加功耗，影響可靠性。
圖3. IGBT開關的米勒效應
一般而言，有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應導通問題——使用雙極性電源和/或額外的米勒箝位。在柵極驅(qū)動器隔離端接收雙極性電源的能力為感應電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，−7.5 V負電源軌表示需要大于8.5 V的感應電壓瞬變才能感應雜散導通。這足以防止雜散導通。另一種方法是在完成關斷轉(zhuǎn)換后的一段時間內(nèi)降低柵極驅(qū)動器電路的關斷阻抗。這稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路，隨后降低電壓瞬變的幅度。針對導通與關斷采用非對稱柵極電阻，便可為開關速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動器功能都對整個系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。
電機驅(qū)動中的過流保護通常在多個等級內(nèi)部署。驅(qū)動保護方案中可能包含持續(xù)過流和瞬時過流的區(qū)別，而這些過流事件具有不同的跳變電平和時間常數(shù)。這類過流保護通常基于電流測量進行部署。對于極快速和可能會有災難性后果的過流事件中(比如逆變器輸出短路)，在柵極驅(qū)動器中集成快速響應保護機制可能會非常有用。IGBT導通時，通過監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓便可實現(xiàn)去飽和保護。IGBT飽和時，通態(tài)電壓是IGBT內(nèi)電流電平的函數(shù)，并且該保護功能可以設計成觸發(fā)一次故障，然后在通態(tài)電壓升高至超出可接受電平時快速關斷IGBT。有一段短暫的消隱時間，期間保護電路不監(jiān)控IGBT的通態(tài)電壓。這是為了防止導通時由于集電極發(fā)射極電壓瞬變和/或?qū)ㄊ录械乃沧冞^流而引起誤觸發(fā)。
ADI隔離式柵極驅(qū)動器ADUM4135集成雙極性電源能力、米勒箝位、非對稱導通和關斷輸出。此外，傳播延遲和更重要的傳播延遲偏斜典型值分別為業(yè)界領先的50 ns和15 ns。降低死區(qū)時間對系統(tǒng)的影響如圖4所示；圖中，低電機速度的逆變器輸出線對線電壓以兩個不同的死區(qū)時間水平表示。與光耦合器技術有關的更高死區(qū)時間要求導致更高的電機電壓和電流失真。這樣便會增加扭矩紋波和振動從而導致性能下降，并且由于諧波損耗增加而降低效率。這些失真效應在逆變器應用中尤為明顯，控制環(huán)路性能相對較低；然而，哪怕在高性能驅(qū)動以及高帶寬電流和速度控制中，死區(qū)時間相關的失真也會成為極低速性能的限制因素。
圖4. (a) 500 ns死區(qū)時間以及(b) 1μs死區(qū)時間測得的線對線電機電壓
隔離電流檢測
對于分流式測量而言，電機相位電流檢測節(jié)點與柵極驅(qū)動器輸出連接相同的電路，如圖2所示。因此，它們具有相同的隔離電壓和開關瞬變。相位電流檢測對于高性能閉環(huán)電機控制而言極為重要，并且不容易在惡劣、充滿電氣噪聲的環(huán)境中實現(xiàn)高保真測量。在較高功率系統(tǒng)中，使用自身提供隔離功能的隔離電流傳感器(比如電流互感器或霍爾效應傳感器)；而在較低功率系統(tǒng)中，趨勢是使用帶有隔離式Σ-Δ型調(diào)制器(比如ADIAD7403)的分流電阻。以前的系統(tǒng)通常使用去飽和柵極驅(qū)動器功能來實現(xiàn)短路過流保護(如上文所述)，而之后基于隔離式調(diào)制器的電流檢測方案可能通過快速粗調(diào)數(shù)字濾波器直接實現(xiàn)此功能(O’Byrne)。這便要求隔離式調(diào)制器響應和柵極驅(qū)動器的低傳播延遲同時具備精確時序；ADI的iCoupler®技術可以做到這一點，而傳統(tǒng)基于光耦合器的解決方案容易受到較長的傳播延遲影響。
法規(guī)環(huán)境
開發(fā)出符合所需性能的驅(qū)動架構(gòu)之后，系統(tǒng)必須設計并符合業(yè)界電氣安全標準。要選擇合適的隔離元件，必須了解柵極驅(qū)動器和電流檢測節(jié)點的隔離要求。每個節(jié)點都可以采用安全隔離(加強)、基本絕緣或功能絕緣。任意單個節(jié)點的要求可以是安全絕緣以防止電擊，也可以采用隔離以保護低壓電路，或者采用隔離來實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和降噪，如圖1所示。系統(tǒng)級要求可以通過使用多個隔離柵實現(xiàn)。IEC61800-5-1是已實施很長一段時間的系統(tǒng)級電機驅(qū)動標準，驅(qū)動設計必須滿足該系統(tǒng)絕緣標準。
無論何種標準，都不涉及元件評估。IEC61800-5-1建議使用支持系統(tǒng)標準要求的元件級標準。IEC60747-5-5針對基于光耦合器的元件，而VDE-0884-10是IEC60747-5-5的非光隔離器版本，針對數(shù)字隔離器，于2006年開始實施。之后開發(fā)了VDE-0884-11并于2014年認證通過，包含額外的壽命特性要求。該標準作為IEC60747-17提交給IEC認證，通常需要三年。在此期間，VDE-0884-11可用作IEC的等效標準，如圖5所示。
圖5. 非光隔離器標準的演進
結(jié)論
新的電機能效國際法規(guī)加速了從固定速度、直接在線感應電機到逆變器控制式機器的轉(zhuǎn)變。通常要求至少采用IGBT柵極驅(qū)動和某種形式的電流檢測來保護從簡單的開環(huán)逆變器到驅(qū)動和伺服中的高保真電流控制。這些電路的技術要求正不斷將重點放在精確時序和精確測量上，以及可靠性和魯棒性上。在法規(guī)框架內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)設計部署對于信號隔離提出了重大挑戰(zhàn)。
參考電路
ABB. “ABB’s new SynRM² Motor Technology will Deliver IE5 Efficiency Without Rare Earth Magnets (ABB的SynRM²電機技術無需稀土永磁體將能提供IE5效率)。” ABB 新聞稿。2014年4月3日。
de Almeida, A.T. F. J. T. E. Ferreira和 G. Baoming“. Beyond Induction Motors—Technology Trends to Move Up Efficiency (超越感應電機——提升效率的技術發(fā)展趨勢)。”IEEE工業(yè)應用匯刊，第50卷，第3期，2014年5/6月。
O’Byrne, N。“適用于工業(yè)運動控制的測量技術”。ADI公司，2014年。
O’Sullivan, D和M. Moroney。“利用數(shù)字隔離器技術增強工業(yè)電機控制性能”。ADI公司，2014年。
本文轉(zhuǎn)載自亞德諾半導體。
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