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起重電機之電機電能效率中的柵極驅動與電流信號隔離問題 |
發布時間：2022-07-27 08:50:00 點擊： |
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起重電機專業生產廠家無錫宏達電機2022年7月27日訊 二十多年來，電機電能效率一直是全球能源監管機構關注的重點。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電，達到最大程度減少碳排放的目的。早期的電機效率法規是自愿的，但很快這些法規就變成強制性的了，并且每 5 至 10 年就會提高最低能效水平要求。
鼠籠式感應電機(SQIM)自人類普及用電之后便一直是工業的主力軍，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，范圍從標準效率(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制標準，這些地區包括歐盟、美國、中國和日本。廠商并沒有抗拒這一變化，因為在電機的壽命期間，電機的資本投入只是電費的一小部分。哪怕將頂級效率電機替換為 15 kW 超頂級效率 IE4 電機，其額外的成本也會在兩年內通過節約的電費收回。
電機效率要求的這種趨勢迫使很多設備制造商拋棄直接離線電機，轉而使用基于逆變器的解決方案。這些解決方案的各種架構以及驅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、制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 將對電機制造商造成不少困擾。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才能滿足 IE5 或更高的效率等級。永磁同步電機(PMSM)通常用于超高效率應用，但稀土轉子磁體的成本和獲取性是個問題。最新的軸向電機設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，可緩解這些問題。此外，人們正在考慮針對 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于 IGBT 的頻率逆變器需求，可將整流市電輸入轉換為驅動電機的各種頻率電壓。逆變器控制型電機的輸出扭矩或速度經優化后匹配軸負載，可最大程度降低能耗和電機運行溫度，改善電機可靠性。此外，其附加控制功能有：狀態監控、功率計量和工廠網絡連接，可提高過程效率和可靠性。隔離技術是驅動系統中的關鍵因素，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、通信接口的復雜性、控制器架構以及系統內的電壓水平，如圖 1 所示。很多情況下，關鍵的隔離節點是柵極驅動器和電機相位電流檢測電路。這兩處均涉及與開關高電壓有關的控制或測量信號，并且至少包含某種形式的電平轉換，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。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 以相反方向進行控制，以便高端和低端 IGBT 始終無法同時導通，哪怕時間很短。這就要求在高端和低端開關信號之間插入一個小的死區時間片段。最大程度縮短這個死區時間段無論對系統性能還是對 IGBT 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于 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，從而形成瞬態沖擊電流，流過逆變器臂，增加功耗，影響可靠性。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于 8.5 V 的感應電壓瞬變才能感應雜散導通。這足以防止雜散導通。另一種方法是在完成關斷轉換后的一段時間內降低柵極驅動器電路的關斷阻抗。這稱為米勒箝位電路。容性電流現在流經較低阻抗的電路，隨后降低電壓瞬變的幅度。針對導通與關斷采用非對稱柵極電阻，便可為開關速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅動器功能都對整個系統的可靠性與效率有正面影響。電機驅動中的過流保護通常在多個等級內部署。驅動保護方案中可能包含持續過流和瞬時過流的區別，而這些過流事件具有不同的跳變電平和時間常數。這類過流保護通常基于電流測量進行部署。對于極快速和可能會有災難性后果的過流事件中(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制可能會非常有用。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，并且該保護功能可以設計成觸發一次故障，然后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于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。降低死區時間對系統的影響如圖 4 所示；圖中，低電機速度的逆變器輸出線對線電壓以兩個不同的死區時間水平表示。與光耦合器技術有關的更高死區時間要求導致更高的電機電壓和電流失真。這樣便會增加扭矩紋波和振動從而導致性能下降，并且由于諧波損耗增加而降低效率。這些失真效應在逆變器應用中尤為明顯，控制環路性能相對較低；然而，哪怕在高性能驅動以及高帶寬電流和速度控制中，死區時間相關的失真也會成為極低速性能的限制因素。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于分流式測量而言，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。相位電流檢測對于高性能閉環電機控制而言極為重要，并且不容易在惡劣、充滿電氣噪聲的環境中實現高保真測量。在較高功率系統中，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)；而在較低功率系統中，趨勢是使用帶有隔離式Σ-Δ型調制器(比如 ADIAD7403)的分流電阻。以前的系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)，而之后基于隔離式調制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)。這便要求隔離式調制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，而傳統基于光耦合器的解決方案容易受到較長的傳播延遲影響。開發出符合所需性能的驅動架構之后，系統必須設計并符合業界電氣安全標準。要選擇合適的隔離元件，必須了解柵極驅動器和電流檢測節點的隔離要求。每個節點都可以采用安全隔離(加強)、基本絕緣或功能絕緣。任意單個節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低壓電路，或者采用隔離來實現數據完整性和降噪，如圖 1 所示。系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系統級電機驅動標準，驅動設計必須滿足該系統絕緣標準。無論何種標準，都不涉及元件評估。IEC61800-5-1 建議使用支持系統標準要求的元件級標準。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，針對數字隔離器，于 2006 年開始實施。之后開發了 VDE-0884-11 并于 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。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制式機器的轉變。通常要求至少采用 IGBT 柵極驅動和某種形式的電流檢測來保護從簡單的開環逆變器到驅動和伺服中的高保真電流控制。這些電路的技術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。在法規框架內實現系統設計部署對于信號隔離提出了重大挑戰。 |
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