交流电压电机驱动器的数字隔离

隔离是交流电压电机驱动器不可或缺的一部分。提供电气隔离的方法有几种，主要使用光耦合器和数字隔离器。与传统光耦合器相比，使用数字隔离器具有多种优势，其中包括降低成本、减少元件数量和提高可靠性。本文将比较传统电机控制器设计中的隔离方法，以突出数字隔离器的优势。

光耦合器与数字隔离器背景

光耦合器利用来自LED的光将数据穿过隔离栅传输到光电二极管。当LED被驱动打开和关闭时，逻辑高电平和低电平信号在电隔离光电二极管侧产生。光耦合器的速度与检波器光电二极管的速度和为其二极管电容充电所需的时间直接相关。提高速度的一种方法是增加LED电流，但这是以增加功耗为代价的。

相比之下，基于变压器的数字隔离器使用变压器跨越隔离栅对数据进行磁耦合。变压器通过线圈脉冲电流，产生一个小的局部磁场，在另一个线圈中感应电流。变压器的传输速度本质上比光耦合器快得多。变压器也是差分的，具有出色的共模瞬态抗扰度。此外，由于数字隔离器基于变压器，而光耦合器基于LED，因此数字隔离器的可靠性/MTTF明显优于光耦合器。

电机驱动设计中的隔离

图1提供了波士顿工程公司开发的高压FlexMC电机控制驱动器的框图，该驱动器与ADSP-CM40x混合信号控制处理器接口。该驱动器接收通用交流输入，提供功率因数校正（PFC）前端，并驱动永磁同步电机（PMSM），同时为ADSP-CM40x（ARM Cortex）上运行的有传感器或无传感器控制提供必要的反馈调理。®™-M4混合信号控制处理器，具有16位高精度模拟前端。中心是高压电力电子设备和控制器之间的隔离栅。电机电力电子器件在高压电位下浮动，而ADSP-CM40x处理器以地为基准，因此需要隔离。本文将探讨选择数字隔离器而不是光耦合器如何改善这种设计。

图1.电机控制框图。

闭环电机控制设计的两个关键硬件要素是脉宽调制 （PWM） 控制器输出和电机相电流反馈。如框图所示，这些信号通过隔离栅。此外，隔离器还具有其他几种功能，包括数字通信和低电压、低功耗、隔离式DC-DC转换。

脉宽调制隔离

功率级的脉宽调制是所有电机驱动的核心。开关频率通常在 10 kHz – 20 kHz 范围内。在优化控制性能时，精确控制脉冲宽度、死区时间和通道间延迟至关重要。在为PWM控制信号选择合适的隔离器件时，数字隔离器在性能和成本方面比同类光耦合器选项具有显著优势（参见表1所示的比较表）。

 

	脉宽调制隔离
	ADuM1310	光耦合器解决方案
大小（英寸^2）	0.5	0.45
成本 @ 1K 数量 （$）	3.98	9.72
组件计数	2	6
最大速率（千兆字节）	90	50
最大传播延迟 （ns）	32	650
输出上升/下降时间（ns）	2.5	550
通道-通道匹配 （ns）	2	500
介电绝缘	2500	3750
平均时间（10^6 小时）	318	12.7
功率（毫瓦）	15	105

 

例如，控制器在开关信号之间引入死区时间，以防止任何高边和低边晶体管对同时导通（即直通）。区时间是电源开关开/关延迟和隔离电路引入的延迟不确定性的函数。ADuM1310数字隔离器提供的通道间匹配仅为2ns，而光耦合器为500 ns。利用数字隔离器可以大大减少死区时间，从而提高电源逆变器的性能。此外，从比较表中可以看出，除了性能之外，ADuM1310还提供集成度更高的解决方案，从而减少了元件数量和BOM成本。

电机相电流

大多数先进的电机驱动器利用电机相电流作为主要反馈。为了提供连续反馈，极低电阻分流电阻器与电机相位串联。然而，这增加了尝试测量毫伏级信号和数百伏共模电压摆幅的复杂性，这些共模电压摆幅以快速dv/dt在高频下切换。在本设计中，使用两个AD7401A隔离式Σ-Δ调制器测量电机绕组电流，然后通过ADSP-CM40x上的数字滤波电路处理数字比特流。ADSP-CM40x上的内置sinc滤波器允许与隔离式Σ-Δ调制器无缝连接。第三相电流可以通过数学方式从其他两个相电流推导出来，以节省功耗和元件成本。AD7401A集成一个差分采样保持级、一个Σ-Δ调制器和数字隔离，全部集成在单个封装中。高压侧模拟信号被转换为数字串行数据流，然后通过隔离栅传输到低压侧。AD7401A还内置一个时钟输入引线，允许使用单个时钟源同时对每个器件进行测量。如表2所示，存在具有类似集成度和成本的光耦合器，但除了AD7401A的出色调制器性能外，基于器件的基本结构，数字隔离器技术仍可提供更好的功耗、速度性能和可靠性。

 

	相电流测量
	AD7401A	光耦合器解决方案
大小（英寸^2）	0.18	0.15
成本 @ 1K 数量 （$）	3.8	3.8
组件计数	1	1
最大速率（千兆字节）	20	10
介电绝缘	5000	5000
平均时间（10^6 小时）	1576	4.9
功率（毫瓦）	70	91
分辨率（位）	16	16
增益误差 （%）	0.5	1
信噪比 （分贝））	80	68
失调漂移 （μV/摄氏度）	3.5	3.5

 

数字通信

I2C 是一种双线、多点通信接口，通常用于为控制器提供数字或模拟 IO 扩展功能。这种方法通常保留用于定期监控或更新的“内务管理”类型的功能。FlexMC 高压板使用 I2C 接口，用于与 PFC 控制器以及监控总线电压、总线电流和 IGBT 温度的 ADC 通信。ADuM1250允许ADSP-CM40x控制器通过单个隔离器仅利用两线外设接口监控高压侧的所有这些功能。相比之下，没有单个光耦合器器件可以提供I2C 隔离。因此，如表3所示，ADuM1250是I的光耦合器选项的明确选择。2出于成本、尺寸、元件数量和性能的原因，C 隔离。

 

	相电流测量
	AD7401A	光耦合器解决方案
大小（英寸^2）	0.3	0.2
成本（$）	3.8	3.8
组件计数	1	1
最大速率（千兆字节）	20	10
介电绝缘	5000	5000
平均时间（10^6 小时）	1576	4.9
功率（毫瓦）	70	91
分辨率（位）	16	16
增益误差 （%）	0.5	1
失调漂移 （μV/摄氏度）	3.5	3.5

 

隔离电源

使用数字隔离器技术使这种设计受益的另一个领域是产生极低电平的隔离电源。两个ADuM5000器件用于产生隔离式5 V电源，功率输出能力高达500 mW。它们用于为Σ-Δ转换器的模拟侧供电，该转换器随快速变化的电机电压浮动。这些隔离电源使用与数据隔离器相同的技术，因此它们具有一个开关频率为180 MHz的内部变压器。该频率比标准DC-DC转换器高三个数量级，尺寸要小得多。ADuM5000器件是一种在SOIC-16封装中提供低功耗隔离电压的简单方法。

审核编辑：郭婷