电源逆变器应用中的隔离架构、电路和元件选择

作者：Aengus Murray and Robert Zwicker

电机和功率控制逆变器设计人员共享将控制和用户界面电路与危险电源线电压隔离的常见问题。其关键要素是防止电源线电压损坏控制电路的基本要求，更重要的是，保护用户免受危险电压的影响。系统必须符合国际标准（如IEC 61800和IEC 62109）定义的安全要求，这些标准涵盖了电机驱动器和太阳能逆变器等应用。标准主要侧重于合规性测试。标准的一致性测试如何赋予工程师自由？它为工程师提供安全方面的指导，但它如何提供自由，以便工程师可以选择满足目标系统规范（包括标准合规性）所需的适当架构、电路和组件？这些决策受电路在效率、带宽和精度方面提供所需系统性能的能力的影响，同时仍满足安全隔离要求。设计创新系统的挑战在于，为现有架构、电路和组件开发的设计规则可能不再适用。因此，工程师需要投入时间仔细评估新电路或组件的能力，以满足EMC和安全标准。在某些地区，负担更加繁重，因为如果工程师因他设计的系统的安全功能故障而造成伤害，工程师可能要承担个人责任。本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计的影响以及对系统性能的影响。它将展示最近可用的隔离组件的性能改进如何使替代架构能够在不影响安全性的情况下提供系统性能改进。

隔离架构

问题是您需要根据用户提供的命令安全地控制从交流电源到负载的功率流。这个问题在图1所示的高级电机驱动系统图中描述了三个电源域：命令、控制和电源。安全约束是用户命令电路必须与电源电路上的危险电压电气隔离。架构决策基于是将隔离栅放置在命令和控制电路之间，还是将其放置在控制和电源电路之间。在任何电路之间引入隔离栅都会危及信号完整性并增加成本。模拟反馈信号的隔离尤其具有挑战性，因为经典的变压器方法抑制直流信号分量并引入非线性。数字信号隔离在低速时相对容易，但在高速或需要低延迟时更具挑战性和功耗。在具有三相逆变器的系统中，电源隔离具有惊人的挑战性，因为电源电路上有多个电源域。电源电路有四个不同的域，需要在功能上相互隔离;因此，高端栅极驱动和绕组电流信号需要在功能上与控制电路隔离，即使两者都可能以电源接地为基准。

图1.电机控制系统中的隔离架构。

非隔离控制架构在控制和电源电路之间具有公共接地连接。这使电机控制ADC能够访问电源电路中的所有信号。当电机绕组电流流经低侧逆变器支路时，ADC对基于中心的PWM信号中点的电机绕组电流进行采样。低侧IGBT栅极的驱动器可以是简单的非隔离类型，但PWM信号需要与具有功能隔离或电平转换的三个高边IGBT栅极隔离。命令和控制电路之间的隔离所带来的复杂性取决于最终应用，但通常涉及使用单独的系统和通信处理器。这在家用电器或低端工业应用中是可以接受的，在这些应用中，简单的处理器管理前面板接口并通过慢速串行接口发送速度命令。由于命令接口的带宽要求很高，非隔离架构在机器人和自动化中使用的高性能驱动器中不太常见。

隔离控制架构在控制和命令电路之间具有公共接地连接。这允许控制和命令接口之间非常紧密的耦合，并允许使用单个处理器。隔离问题转移到功率逆变器信号上，带来了一系列不同的挑战。栅极驱动信号需要相对高速的数字隔离，以满足逆变器的时序要求。磁性或光耦合驱动器在逆变器应用中运行良好，由于存在非常高的电压，隔离要求非常严格。由于所需的动态范围和带宽较低，因此对直流母线电压隔离电路的要求适中。电机电流反馈是高性能驱动器面临的最大挑战，因为需要高带宽、线性隔离。电流互感器（CT）是一个显而易见的选择，因为它们提供易于缩放的隔离信号。CT在低电流下具有非线性，不传输直流电平，但广泛用于低端逆变器。CT也用于具有非隔离控制架构的高功率逆变器，因为分流损耗变得过大。开环和闭环霍尔效应电流传感器可以测量直流，因此它们更适合高端驱动器，但存在偏移。阻性分流器提供具有低失调的高带宽线性信号，但需要与高带宽、低失调隔离放大器匹配。通常，电机控制ADC直接对隔离电流信号进行采样，但下一节中介绍的替代测量架构将隔离问题转移到数字域，并显著提高了性能。

使用隔离式转换器的逆变器反馈

改善隔离系统线性度的常用方法是将ADC移至隔离栅的另一侧，并对数字信号进行隔离。在许多情况下，这使用串行ADC和数字信号隔离器。对电机电流反馈的高频与驱动保护的快速响应的特定要求将ADC选择转向Σ-Δ型。Σ-Δ ADC 具有一个线性调制器，可将模拟信号转换为单个比特流，然后是一个数字滤波器，将信号重建为高分辨率数字字。这种方法的优点在于可以使用两种不同的数字滤波器;一个较慢的用于高保真回馈，第二个低保真快速滤波器用于逆变器保护。在图2中，绕组分流器测量电机绕组电流，隔离ADC跨越隔离栅发送10 MHz数据流。sinc滤波器向电机控制算法提供高分辨率电流数据，该算法计算施加所需逆变器电压所需的逆变器占空比。第二个较低分辨率的滤波器检测电流过载，并在发生故障时向PWM调制器发送跳闸信号。sinc滤波器频率响应曲线说明了适当的参数选择如何使滤波器能够抑制来自当前样本的PWM开关纹波。

图2.隔离式电流反馈。

图3.Sinc滤波器频率响应。

电源输出隔离

两种控制架构的共同问题是需要支持多个隔离电源域。如果每个域中需要多个偏置轨，则这更加困难。图4所示电路可高效产生+15 V和–7.5 V栅极驱动电压和+5 V电压ADC供电电压，全部在一个域中，每个域仅使用一个变压器绕组和两个引脚。这种设计使得使用单个变压器铁芯和线轴为四个不同的电源域创建双电源或三电源轨成为可能。

图4.用于栅极驱动器和电流反馈转换器的隔离电源电路。

审核编辑：郭婷