什么是交流电机驱动系统？

交流电机驱动是一种使用交流输入到感应电机的系统，如图1所示，以驱动大型工业负荷，如商业建筑、泵和压缩机的供暖、通风和空调。交流电机还驱动工厂自动化和工业设备的负载，如传送带，或隧道钻孔、采矿和造纸厂设备。工厂内带交流电机驱动的感应电机。交流电机驱动采用交流能源，将其整流为直流总线电压，实现复杂的控制算法，通过基于负载需求的复杂控制算法将直流反转回交流电机。

在交流电机驱动器中的隔离

电动机驱动系统，如交流电机驱动涉及高压和功率水平；因此，采取措施保护人工操作人员和整个系统的关键部件是非常必要的。此外，关键的系统组件，如控制器和通信外设，也需要免受电机驱动器中的高功率和高压电路的保护。根据国际电工委员会61800-5-1安全标准的定义，通过半导体集成电路（IC）在组件级进行隔离，可以实现电路之间的绝缘。隔离的集成电路能够在高压低压单元之间进行数据和电力传输，同时防止任何危险的直流电或不受控制的瞬态电流。隔离器通常通过一个隔离屏障在电路内提供所需的绝缘水平，该隔离屏障将高压与人类可接近的部件隔离。图1是一个交流电机驱动器的方框图，电源级和电源用绿色标记。

图1 一个交流电机驱动器的方框图

在交流电机驱动器中实现隔离

设计者可以在交流电机驱动器中实现隔离屏障，但在过去40年里，实现电流隔离最流行的设备是光耦合器，也被称为光隔离器或光耦合器。虽然光耦合器成本低廉，而且无处不在，但它不能提供与新的隔离方法相同的温度性能或设备寿命。

TI的电容隔离技术在电容电路中采用了增强信号隔离，该电路使用二氧化硅（基本的芯片绝缘）进行电介质。与光耦合器不同，它可以将隔离电路与其他电路集成在同一芯片上。通过该工艺制造的隔离器提供可靠性、冲击保护和加强隔离，相当于一个包装中的两个级别的基本隔离。在白皮书中了解更多关于德州仪器创新的基于电容器的强化隔离，” 启用高的电压信号隔离质量和可靠”以下各节探讨了交流电机驱动设计的三个主要与隔离相关的设计挑战，同时也强调了电容式隔离相对于光耦合器的优点。

动力级中的隔离门驱动器

在交流电机驱动的功率阶段使用的功率转换器拓扑是一种三相逆变器拓扑。这些逆变器可将直流电源转换为交流电源。典型的直流母线电压电平为600 V-1,200 V。三相逆变器使用六个隔离的栅极驱动器来打开和关闭电源开关（通常是一组绝缘栅极双极晶体管[IGBTs]或一个IGBT模块）。由于其优越的性能，设计者开始采用宽带隙器件，如碳化硅（碳化硅）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）或模块。

每个相位使用一个高压低侧IGBT开关，通常在20-30khz范围内工作，以交流模式对电机绕组施加正负高压直流脉冲。每个IGBT或碳化硅模块都由一个隔离的栅极驱动器驱动。栅极驱动器的高压输出和来自控制器的低压控制输入之间存在电流隔离。栅极驱动器将来自控制器的脉冲宽度调制（PWM信号转换为场效应晶体管（FET）或IGBTs的栅极脉冲。此外，这些门驱动器需要有集成的保护功能.

隔离的栅极驱动器有两面：主侧，即输入级，和辅助侧，它与FET接口。在主要方面有两种类型的输

入阶段：基于电压的和基于电流的。正是通过输入阶段，门驱动器连接到控制器，告诉门驱动器在指

定的时间打开或关闭。

使用基于电流的输入级通常在电机驱动应用中驱动igbt。基于电流的输入级往往具有更高的抗噪声能力，因此需要在控制器和光耦合器之间有一个缓冲级。使用缓冲级的基于电流的输入级驱动器的功率耗通常也更高。

传统的光耦合器门驱动器确实存在一些挑战：

输入阶段的LED会随着时间的推移而降低，这将影响设备的寿命，并可能导致更长的传播延迟，影响系统性能。

它们较低的共模瞬态抗扰力（CMTI）限制了功率fet的切换速度。

它们通常只支持一个较低的工作温度范围，这使得它更难创造出更紧凑的设计。

TI提供了隔离的栅极驱动器，使用电容隔离技术来 帮助克服光耦合器的一些常见的设计挑战。

图3显示了传统光耦器栅驱动器和使用电容隔离的TI隔离栅驱动器之间的比较。TI的电容隔离栅极驱动器具有更高的CMTI额定值，更广泛的工作温度范围和改进的定时规范，如部分对部分的偏斜和传播延迟。

图2A

图2B

图2。光耦合器隔离的栅极驱动器(A)和电容隔离的栅极驱动器(B).的比较

隔离电流和电压

一种交流电机驱动器使用包括电压和电流反馈测量值的闭环控制系统来控制交流电机的速度和扭矩。由于电压和电流反馈是在高压侧测量的，所以信号必须与低压控制器侧隔离。在电机的三个相上测量的在线相电流被用来导出最优的PWM模式来控制igbt。这些在线相位电流测量的精度、噪声、带宽、延迟和CMTI直接影响电机的转矩和速度输出轮廓。

如图4所示，电容耦合的隔离放大器和调制器比光耦合的同类放大器具有更少的信号传播延迟、更好

的CMTI、更好的寿命和超温可靠性。申请说明，“比较” 分流器和基于霍尔的隔离的电流检测 解决 在 HEV/EV“提供了在隔离等级、基于分流和霍尔的电流传感方法之间的精度、温度范围、带宽和噪声方面的详细比较。图5是使用隔离放大器进行基于分流器的电流传感和基于电阻分配器的电压传感的典型框图。相电流测量是通过并联电阻R完成的分流.

图3。隔离放大器(A)的例子；和隔离调制器（B）

隔离放大器A

隔离调制器B

图4。典型的电流和电压反馈实现。

与光耦合器相比，TI的隔离放大器支持非常小的双向输入电压范围，具有较高的CMTI和整体精度。这些特性能够在高噪声电机驱动环境中实现可靠的电流传感。这些器件的高阻抗输入和较宽的输入电压范围使它们非常适合直流连接母线电压传感。

图5 典型的电流和电压反馈实现

隔离控制模块中的数字输入

交流电机驱动器中的控制模块负责基于来自位置反馈模块的输入、模拟输入和数字输入的电机驱动系

统的信号处理和整体控制算法。这些数字输入通常是来自现场传感器和开关通信的紧急停止信号，如安全扭矩关闭（STO），或有关电机的操作的信息，如速度和位置。当与控制算法一起使用时，这些数字信号输入然后对功率级进行任何必要的调整，以实现目标输出。将数字输入与控制模块隔离，可防止接地电位差造成通信错误。

虽然光耦合器已被用于隔离数字输入，但数字隔离器技术的最新发展已经彻底改变了系统设计者设

计其数字输入的方式。图6，显示了一个通用的光耦合器解决方案，它使用几个离散的组件（9到15）来实现一个电流限制和受控制的电压阈值。使用这个复杂的解决方案，电流极限远高于目标2 mA的电流极限，并在跨温度下可高达6 mA，这取决于设计。此外，在光耦合器后的施密特触发缓冲器提供了滞后的噪声免疫。

电容隔离如何解决交流电机驱动器中的关键挑战

图6典型的光耦合器隔离的数字输入解决方案

图7显示了一个简化的解决方案，一个用于数字输入应用程序的专用数字隔离器。采用TI电容隔离技术的设备可以达到<2.5 mA的电流极限。该解决方案不需要一个施密特触发器来抑制噪声，并且只需要两个电阻器(R感觉和R他们的)来设置选定的电流极限和电压阈值。

图7使用TI数字隔离器的隔离数字输入解决方案

与光耦合器相比，基于电容式的数字隔离方法具有更低的功耗的优点。TI数字隔离器的精确电流限制可以将从数字输入中抽取的电流减少5倍，显著降低功耗和板温度。其他特性还包括具有通道到通道隔离的双通道选项帮助减少板空间，同时提供低比例延迟和4 Mbps数据速率，以支持STO输入。用光耦合器支持STO输入需要高速光耦合器，这可能比基于电容的数字隔离技术更昂贵，而且寿命更短。关于TI在电机驱动系统中孤立数字输入的好处的更详细信息可在应用说明“如何”中获得向提高速度和可靠性的隔离的输入在发动机驱动器。

总结

无论您是在功率级隔离栅极驱动器，隔离电压或电流反馈，还是在控制模块中隔离数字输入，TI的基于电容的隔离技术彻底改变了交流电机驱动器的寿命和温度需求，并在许多情况下提供了比光耦合器更紧凑的解决方案。

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