防爆電機(jī)

起重電機(jī)之電機(jī)電能效率中的柵極驅(qū)動與電流信號隔離問題

發(fā)布時間：2022-07-27 08:50:00 點擊：

起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)電機(jī)2022年7月27日訊 二十多年來，電機(jī)電能效率一直是全球能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)關(guān)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(dá)到最大程度減少碳排放的目的。早期的電機(jī)效率法規(guī)是自愿的，但很快這些法規(guī)就變成強(qiáng)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(yīng)電機(jī)(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(dāng)前的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)功率額定值將這些電機(jī)的效率分為各種等級，范圍從標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)的壽命期間，電機(jī)的資本投入只是電費的一小部分。哪怕將頂級效率電機(jī)替換為 15 kW 超頂級效率 IE4 電機(jī)，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(jī)效率要求的這種趨勢迫使很多設(shè)備制造商拋棄直接離線電機(jī)，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(yán)格的法規(guī)視為市場機(jī)遇。頂級效率和超頂級效率電機(jī)的材料、設(shè)計、制造成本相比標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)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(jī)制造商造成不少困擾。電機(jī)專家相信，要設(shè)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(jī)才能滿足 IE5 或更高的效率等級。永磁同步電機(jī)(PMSM)通常用于超高效率應(yīng)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(jī)設(shè)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(jī)(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(dāng)。

逆變器和隔離

這種使用效率更高電機(jī)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(jī)的各種頻率電壓。逆變器控制型電機(jī)的輸出扭矩或速度經(jīng)優(yōu)化后匹配軸負(fù)載，可最大程度降低能耗和電機(jī)運行溫度，改善電機(jī)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(luò)連接，可提高過程效率和可靠性。隔離技術(shù)是驅(qū)動系統(tǒng)中的關(guān)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(jī)驅(qū)動性能等級、通信接口的復(fù)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。

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圖 1. 電機(jī)控制架構(gòu)

很多情況下，關(guān)鍵的隔離節(jié)點是柵極驅(qū)動器和電機(jī)相位電流檢測電路。這兩處均涉及與開關(guān)高電壓有關(guān)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(biāo)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(guān)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(guān)斷閾值的輸出驅(qū)動器(以便在最短時間間隔內(nèi)開關(guān) IGBT，從而最大程度減少設(shè)備的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和 EMI)。在三相逆變器中，IGBT 以相反方向進(jìn)行控制，以便高端和低端 IGBT 始終無法同時導(dǎo)通，哪怕時間很短。這就要求在高端和低端開關(guān)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(hù)而言都非常重要(O’Sullivan)。

IGBT 導(dǎo)通要求 IGBT 驅(qū)動至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導(dǎo)通損耗最低。這通常意味著導(dǎo)通電壓要大于 12 V。IGBT 關(guān)斷要求 IGBT 驅(qū)動至工作截止區(qū)域，以便在高端 IGBT 導(dǎo)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(biāo)。但是，必須考慮高端晶體管導(dǎo)通時的副作用。開關(guān)節(jié)點電壓的快速變化導(dǎo)致瞬態(tài)感應(yīng)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(guān)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(dǎo)致低端 IGBT 的短暫導(dǎo)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(guān)的米勒效應(yīng)

一般而言，有兩種方法可以解決逆變器 IGBT 的感應(yīng)導(dǎo)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(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，?7.5 V 負(fù)電源軌表示需要大于 8.5 V 的感應(yīng)電壓瞬變才能感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這足以防止雜散導(dǎo)通。另一種方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換后的一段時間內(nèi)降低柵極驅(qū)動器電路的關(guān)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(dǎo)通與關(guān)斷采用非對稱柵極電阻，便可為開關(guān)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(jī)驅(qū)動中的過流保護(hù)通常在多個等級內(nèi)部署。驅(qū)動保護(hù)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(hù)通?；陔娏鳒y量進(jìn)行部署。對于極快速和可能會有災(zāi)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(yīng)保護(hù)機(jī)制可能會非常有用。IGBT 導(dǎo)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(hù)。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(hù)功能可以設(shè)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(guān)斷 IGBT。有一段短暫的消隱時間，期間保護(hù)電路不監(jiān)控 IGBT 的通態(tài)電壓。這是為了防止導(dǎo)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(dǎo)通和關(guān)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(lǐng)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(jī)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(shù)有關(guān)的更高死區(qū)時間要求導(dǎo)致更高的電機(jī)電壓和電流失真。這樣便會增加扭矩紋波和振動從而導(dǎo)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(yīng)在逆變器應(yīng)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(guān)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(jī)電壓

隔離電流檢測

對于分流式測量而言，電機(jī)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(guān)瞬變。相位電流檢測對于高性能閉環(huán)電機(jī)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(yīng)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(hù)(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(yīng)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(shù)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(shè)計并符合業(yè)界電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng))、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(hù)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(jī)驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動設(shè)計必須滿足該系統(tǒng)絕緣標(biāo)準(zhǔn)。

無論何種標(biāo)準(zhǔn)，都不涉及元件評估。IEC61800-5-1 建議使用支持系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求的元件級標(biāo)準(zhǔn)。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(rèn)證通過，包含額外的壽命特性要求。該標(biāo)準(zhǔn)作為 IEC60747-17 提交給 IEC 認(rèn)證，通常需要三年。在此期間，VDE-0884-11 可用作 IEC 的等效標(biāo)準(zhǔn)，如圖 5 所示。

圖 5. 非光隔離器標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)

結(jié)論

新的電機(jī)能效國際法規(guī)加速了從固定速度、直接在線感應(yīng)電機(jī)到逆變器控制式機(jī)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(hù)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(shù)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(shè)計部署對于信號隔離提出了重大挑戰(zhàn)。

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