鼠籠式感應電機(SQIM)自人類普及用電之後便一直是工業的主力軍，因為它在直接連接三相交流電源後便可開始工作。當前的IEC標準依據功率額定值將這些電機的效率分為各種等級
，範圍從標準效率(IE1)到超頂級效率(IE4)。今天，IE3頂級效率在世界上最大的工業區內是強製標準

，這些地區包括歐盟
、美國
、中國和日本。廠商並沒有抗拒這一變化，因為在電機的壽命期間

，電機的資本投入隻是電費的一小部分。哪怕將頂級效率電機替換為15 kW超頂級效率IE4電(dian)機(ji)，其(qi)額(e)外(wai)的(de)成(cheng)本(ben)也(ye)會(hui)在(zai)兩(liang)年(nian)內(nei)通(tong)過(guo)節(jie)約(yue)的(de)電(dian)費(fei)收(shou)回(hui)。電(dian)機(ji)效(xiao)率(lv)要(yao)求(qiu)的(de)這(zhe)種(zhong)趨(qu)勢(shi)迫(po)使(shi)很(hen)多(duo)設(she)備(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)拋(pao)棄(qi)直(zhi)接(jie)離(li)線(xian)電(dian)機(ji)
，轉(zhuan)而(er)使(shi)用(yong)基(ji)於(yu)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。這(zhe)些(xie)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)各(ge)種(zhong)架(jia)構(gou)以(yi)及(ji)驅(qu)動(dong)和(he)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)要(yao)求(qiu)是(shi)本(ben)文(wen)所(suo)要(yao)討(tao)論(lun)的(de)主(zhu)題(ti)。

 

SQIM製造商目前為止一直將更為嚴格的法規視為市場機遇。頂級效率和超頂級效率電機的材料、設計
、製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將對電機製造商造成不少困擾。電機專家相信，要設計線路連接式的SQIM來滿足高於IE4的效率等級——尤其是較低功率範圍(de Almeida)——將會是十分困難且成本高昂的。極有可能隻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(tong)常(chang)用(yong)於(yu)超(chao)高(gao)效(xiao)率(lv)應(ying)用(yong)
，但(dan)稀(xi)土(tu)轉(zhuan)子(zi)磁(ci)體(ti)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)獲(huo)取(qu)性(xing)是(shi)個(ge)問(wen)題(ti)。最(zui)新(xin)的(de)軸(zhou)向(xiang)電(dian)機(ji)設(she)計(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)鐵(tie)氧(yang)體(ti)磁(ci)珠(zhu)或(huo)新(xin)的(de)磁(ci)體(ti)材(cai)料(liao)，這(zhe)些(xie)材(cai)料(liao)是(shi)為(wei)滿(man)足(zu)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)市(shi)場(chang)而(er)開(kai)發(fa)，可(ke)緩(huan)解(jie)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)。此(ci)外(wai)，人(ren)們(men)正(zheng)在(zai)考(kao)慮(lv)針(zhen)對(dui)IE5效率等級驅動(ABB)采用同步磁阻電機(SRM)。SRM既沒有轉子繞組也沒有磁體，能以較低的成本實現高效率，框架尺寸與同等功率額定值的SQIM相當。

 

 

這種使用效率更高電機的趨勢推動了基於IGBT的de頻pin率lv逆ni變bian器qi需xu求qiu
，可ke將jiang整zheng流liu市shi電dian輸shu入ru轉zhuan換huan為wei驅qu動dong電dian機ji的de各ge種zhong頻pin率lv電dian壓ya。逆ni變bian器qi控kong製zhi型xing電dian機ji的de輸shu出chu扭niu矩ju或huo速su度du經jing優you化hua後hou匹pi配pei軸zhou負fu載zai，可ke最zui大da程cheng度du降jiang低di能neng耗hao和he電dian機ji運yun行xing溫wen度du

，改gai善shan電dian機ji可ke靠kao性xing。此ci外wai，其qi附fu加jia控kong製zhi功gong能neng有you：狀態監控、功gong率lv計ji量liang和he工gong廠chang網wang絡luo連lian接jie，可ke提ti高gao過guo程cheng效xiao率lv和he可ke靠kao性xing。隔ge離li技ji術shu是shi驅qu動dong係xi統tong中zhong的de關guan鍵jian因yin素su，因yin為wei它ta能neng安an全quan地di將jiang控kong製zhi器qi用yong戶hu界jie麵mian與yu連lian接jie逆ni變bian器qi的de危wei險xian高gao電dian壓ya相xiang隔ge離li。

 

有多種高等級因素會影響特定驅動中的隔離要求和架構，這些因素包括：電機驅動性能等級、通信接口的複雜性
、控製器架構以及係統內的電壓水平，如圖1所示。

 

圖1. 電機控製架構

 

很多情況下，關鍵的隔離節點是柵極驅動器和he電dian機ji相xiang位wei電dian流liu檢jian測ce電dian路lu。這zhe兩liang處chu均jun涉she及ji與yu開kai關guan高gao電dian壓ya有you關guan的de控kong製zhi或huo測ce量liang信xin號hao
，並bing且qie至zhi少shao包bao含han某mou種zhong形xing式shi的de電dian平ping轉zhuan換huan，很hen多duo時shi候hou還hai包bao括kuo隔ge離li(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

，並標出了高端柵極驅動器信號和相位分流檢測信號的電平轉換和潛在的信號隔離要求。

 

圖2. 三相逆變器臂參考信號

 

 

由圖2還能看出一個隔離柵極驅動器的基本要求
，包括：邏輯電平開關信號的功能或安全隔離
，以及可驅動IGBT柵極電壓通過開啟和關斷閾值的輸出驅動器(以便在最短時間間隔內開關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以相反方向進行控製，以便高端和低端IGBT始shi終zhong無wu法fa同tong時shi導dao通tong，哪na怕pa時shi間jian很hen短duan。這zhe就jiu要yao求qiu在zai高gao端duan和he低di端duan開kai關guan信xin號hao之zhi間jian插cha入ru一yi個ge小xiao的de死si區qu時shi間jian片pian段duan。最zui大da程cheng度du縮suo短duan這zhe個ge死si區qu時shi間jian段duan無wu論lun對dui係xi統tong性xing能neng還hai是shi對duiIGBT保護而言都非常重要(O’Sullivan)。

 

IGBT導通要求IGBT驅動至飽和區域，在該區域中導通損耗最低。這通常意味著導通電壓要大於12 V。IGBT關斷要求IGBT驅動至工作截止區域，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柵極發射極電壓下降至0 V實現該目標。但是

，必須考慮高端晶體管導通時的副作用。開關節點電壓的快速變化導致瞬態感應電流流過低端IGBT寄生密勒電容(圖3中的CGD)。該電流流過低端柵極驅動器(圖3中的ZDRIVER)關斷阻抗，在低端IGBT柵極發射極端創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，從而形成瞬態衝擊電流，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於8.5 V的(de)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)才(cai)能(neng)感(gan)應(ying)雜(za)散(san)導(dao)通(tong)。這(zhe)足(zu)以(yi)防(fang)止(zhi)雜(za)散(san)導(dao)通(tong)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)在(zai)完(wan)成(cheng)關(guan)斷(duan)轉(zhuan)換(huan)後(hou)的(de)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)降(jiang)低(di)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)電(dian)路(lu)的(de)關(guan)斷(duan)阻(zu)抗(kang)。這(zhe)稱(cheng)為(wei)米(mi)勒(le)箝(qian)位(wei)電(dian)路(lu)。容(rong)性(xing)電(dian)流(liu)現(xian)在(zai)流(liu)經(jing)較(jiao)低(di)阻(zu)抗(kang)的(de)電(dian)路(lu)，隨(sui)後(hou)降(jiang)低(di)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)的(de)幅(fu)度(du)。針(zhen)對(dui)導(dao)通(tong)與(yu)關(guan)斷(duan)采(cai)用(yong)非(fei)對(dui)稱(cheng)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)，便(bian)可(ke)為(wei)開(kai)關(guan)速(su)率(lv)控(kong)製(zhi)提(ti)供(gong)額(e)外(wai)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)功(gong)能(neng)都(dou)對(dui)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)與(yu)效(xiao)率(lv)有(you)正(zheng)麵(mian)影(ying)響(xiang)。

 

電dian機ji驅qu動dong中zhong的de過guo流liu保bao護hu通tong常chang在zai多duo個ge等deng級ji內nei部bu署shu。驅qu動dong保bao護hu方fang案an中zhong可ke能neng包bao含han持chi續xu過guo流liu和he瞬shun時shi過guo流liu的de區qu別bie
，而er這zhe些xie過guo流liu事shi件jian具ju有you不bu同tong的de跳tiao變bian電dian平ping和he時shi間jian常chang數shu。這zhe類lei過guo流liu保bao護hu通tong常chang基ji於yu電dian流liu測ce量liang進jin行xing部bu署shu。對dui於yu極ji快kuai速su和he可ke能neng會hui有you災zai難nan性xing後hou果guo的de過guo流liu事shi件jian中zhong(比如逆變器輸出短路)，在柵極驅動器中集成快速響應保護機製可能會非常有用。IGBT導通時，通過監控IGBT集電極發射極電壓便可實現去飽和保護。IGBT飽和時
，通態電壓是IGBT內電流電平的函數
，並且該保護功能可以設計成觸發一次故障
，然後在通態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，期間保護電路不監控IGBT的通態電壓。這是為了防止導通時由於集電極發射極電壓瞬變和/或導通事件中的瞬變過流而引起誤觸發。

 

ADI隔離式柵極驅動器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界領先的50 ns和15 ns。降低死區時間對係統的影響如圖4所示；tuzhong，didianjisududenibianqishuchuxianduixiandianyayilianggebutongdesiqushijianshuipingbiaoshi。yuguangouheqijishuyouguandegenggaosiqushijianyaoqiudaozhigenggaodedianjidianyahedianliushizhen。zheyangbianhuizengjianiujuwenbohezhendongcongerdaozhixingnengxiajiang，bingqieyouyuxiebosunhaozengjiaerjiangdixiaolv。zhexieshizhenxiaoyingzainibianqiyingyongzhongyouweimingxian，kongzhihuanluxingnengxiangduijiaodi
；然而，哪怕在高性能驅動以及高帶寬電流和速度控製中
，死區時間相關的失真也會成為極低速性能的限製因素。

 

圖4. (a) 500 ns死區時間以及(b) 1μs死區時間測得的線對線電機電壓

 

 

對於分流式測量而言，電機相位電流檢測節點與柵極驅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。相位電流檢測對於高性能閉環電機控製而言極為重要，並且不容易在惡劣、充滿電氣噪聲的環境中實現高保真測量。在較高功率係統中，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)
；而在較低功率係統中，趨勢是使用帶有隔離式Σ-Δ型調製器(比如ADIAD7403)的分流電阻。以前的係統通常使用去飽和柵極驅動器功能來實現短路過流保護(如上文所述)
，而之後基於隔離式調製器的電流檢測方案可能通過快速粗調數字濾波器直接實現此功能(O’Byrne)。這便要求隔離式調製器響應和柵極驅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，而傳統基於光耦合器的解決方案容易受到較長的傳播延遲影響。

 

 

開kai發fa出chu符fu合he所suo需xu性xing能neng的de驅qu動dong架jia構gou之zhi後hou
，係xi統tong必bi須xu設she計ji並bing符fu合he業ye界jie電dian氣qi安an全quan標biao準zhun。要yao選xuan擇ze合he適shi的de隔ge離li元yuan件jian
，必bi須xu了le解jie柵zha極ji驅qu動dong器qi和he電dian流liu檢jian測ce節jie點dian的de隔ge離li要yao求qiu。每mei個ge節jie點dian都dou可ke以yi采cai用yong安an全quan隔ge離li(加強)、基ji本ben絕jue緣yuan或huo功gong能neng絕jue緣yuan。任ren意yi單dan個ge節jie點dian的de要yao求qiu可ke以yi是shi安an全quan絕jue緣yuan以yi防fang止zhi電dian擊ji，也ye可ke以yi采cai用yong隔ge離li以yi保bao護hu低di壓ya電dian路lu

，或huo者zhe采cai用yong隔ge離li來lai實shi現xian數shu據ju完wan整zheng性xing和he降jiang噪zao

，如ru圖tu1所示。係統級要求可以通過使用多個隔離柵實現。IEC61800-5-1是已實施很長一段時間的係統級電機驅動標準，驅動設計必須滿足該係統絕緣標準。

 

無論何種標準
，都不涉及元件評估。IEC61800-5-1建議使用支持係統標準要求的元件級標準。IEC60747-5-5針對基於光耦合器的元件，而VDE-0884-10是IEC60747-5-5的非光隔離器版本，針對數字隔離器，於2006年開始實施。之後開發了VDE-0884-11並於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

 

 

新的電機能效國際法規加速了從固定速度、直接在線感應電機到逆變器控製式機器的轉變。通常要求至少采用IGBT柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)和(he)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)來(lai)保(bao)護(hu)從(cong)簡(jian)單(dan)的(de)開(kai)環(huan)逆(ni)變(bian)器(qi)到(dao)驅(qu)動(dong)和(he)伺(si)服(fu)中(zhong)的(de)高(gao)保(bao)真(zhen)電(dian)流(liu)控(kong)製(zhi)。這(zhe)些(xie)電(dian)路(lu)的(de)技(ji)術(shu)要(yao)求(qiu)正(zheng)不(bu)斷(duan)將(jiang)重(zhong)點(dian)放(fang)在(zai)精(jing)確(que)時(shi)序(xu)和(he)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)上(shang)，以(yi)及(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)魯(lu)棒(bang)性(xing)上(shang)。在(zai)法(fa)規(gui)框(kuang)架(jia)內(nei)實(shi)現(xian)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)部(bu)署(shu)對(dui)於(yu)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)提(ti)出(chu)了(le)重(zhong)大(da)挑(tiao)戰(zhan)。

 

 

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——提升效率的技術發展趨勢)。”IEEE工業應用彙刊
，第50卷，第3期，2014年5/6月。

 

O’Byrne, N。“適用於工業運動控製的測量技術”。ADI公司，2014年。

 

O’Sullivan, D和M. Moroney。“利用數字隔離器技術增強工業電機控製性能”。ADI公司，2014年。

 

本文轉載自亞德諾半導體。