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如何正确选择正弦波逆变器应用中隔离架构、电路和元件?

电机和电源操控正弦波逆变器规划人员都会遇到相同的问题,即怎么将操控和用户接口电路与风险的功率线路电压隔离。隔离最首要的要求是办法功率线路电压损坏操控电路,更重要的是,维护用户遭到风险电压损伤。体系有必要契合相应国际规范规矩的安全要求,例如包括电机驱动和太阳能正弦波逆变器的IEC 61800和IEC62109。这些规范首要注重契合性测验。规范的契合性测验会怎么赋予工程师自由度?规范会在安全性方面为工程师供给辅导,但怎么赋予工程师自由度,以便可以挑选契合方针体系规范以及规范的相应架构、电路和元件呢?这些是由电路满意在功率、带宽和精度方面供给体系所需功用,一起又满意安全隔离要求来决议的。规划立异体系的难题是,为现有架构、电路和元件拟定的规划规矩可能不再适用。因而,工程师需求花时间仔细评价新电路或元件契合EMC和安全性规范的才能。某些地区工程师的职责更大,一旦所规划体系的安全功用失效并导致损伤,工程师可能需求承当个人职责。本文探讨了体系架构挑选对电源和操控电路规划以及体系功用的影响。本文还将阐明最新可用隔离元件的功用提高怎么协助代替架构在不影响安全性的前提下提高体系功用。


隔离架构

我们关心的问题是您需求依据用户供给的指令,安全地操控从沟通电源到负载的能量活动。此问题在图1所示的高电平电机驱动体系图中针对以下三个电源域进行了论述:给定、操控和功率。安全性要求是,用户给定电路有必要与功率电路上的风险电压进行电位隔离。架构决议计划取决于隔离栅放置在给定和操控电路之间仍是操控和功率电路之间。在电路之间引进隔离栅会影响信号完整性并添加本钱。模仿反应信号的隔离特别困难,因为传统变压器办法会按捺直流信号重量并引进非线性。低速时的数字信号隔离适当简略,但在高速或需求低推迟时则十分困难,而且耗电量巨大。带3相正弦波逆变器的体系中的电源隔离尤为困难,因为有多个电源域衔接至电源电路。电源电路有四个不同域,这些域需彼此之间需求功用性隔离;所以高端栅极驱动和绕组电流信号需求与操控电路功用性隔离,即便两者可能与功率地共地。

 如何正确选择正弦波逆变器应用中隔离架构、电路和元件?

(图1. 电机操控体系中的隔离架构)

非隔离式操控架构在操控和电源电路之间存在一起的接地衔接。这样电机操控ADC可获取电源电路中的一切信号。电机绕组电流流入低侧正弦波逆变器臂时,ADC在根据中心的PWM信号的中点处进行采样。低侧IGBT栅极的驱动器可以是简略的非隔离式,但PWM信号须经由具有功用性隔离或电平移位变换完成与三个高侧IGBT栅极隔离。指令和操控电路之间的隔离造成的复杂性取决于终究运用,但一般触及运用独立体系和通讯处理器。简略处理器即可办理前面板接口并在慢速串行接口上发送速度指令的架构在家用设备或低端工业运用中可以承受。因为指令接口的高带宽要求,非隔离式架构在用于机器人和自动化运用的高功用驱动器中较少见。


隔离式操控架构在操控和指令电路之间存在一起的接地衔接。这使得操控和指令接口之间可以完成十分严密的耦合,而且可运用单个处理器。隔离问题转到电源正弦波逆变器信号上来,从而带来一系列不同应战。栅极驱动信号需求相对高速的数字隔离来满意正弦波逆变器的时序要求。因为存在十分高的电压,磁性或光学耦合的驱动器在隔离要求极高的正弦波逆变器运用中体现杰出。直流母线电压隔离电路的要求则适中,这是因为其需求的动态规模


和带宽较低。电机电流反应是高功用驱动器中最大的难题,因为其需求高带宽和线性隔离。电流互感器(CT)是很好的挑选,因为它们供给的隔离信号可以轻松丈量。CT在低电流时具有非线性,不会传输直流电平,但广泛用于低端正弦波逆变器中。CT还用于带非隔离式操控架构的大功率正弦波逆变器,因为这些场合下选用分流电阻采样会导致损耗太大。开环和闭环霍尔效应电流传感器可丈量沟通信号,因而更适合高端驱动器,但受失调影响。阻性分流器可供给高带宽、线性信号,而且偏移低,但需求与高带宽、低偏移隔离放大器相匹配。一般,电机操控ADC可直接采样隔离电流信号,但下一节描绘的代替丈量架构可将隔离问题转移到数字域,而且可以大幅提高功用。


运用隔离式变换器的正弦波逆变器反应

改进隔离体系线性度的一种常见办法是将ADC移至隔离栅的另一侧并隔离数字信号。在许多情况下,这需求将串联ADC与数字信号隔离器结合运用。因为对电机电流反应存在高频的特殊要求,以及需求对驱动维护进行快速呼应,因而可挑选Σ-Δ型ADC。Σ-Δ型ADC配有一个可将模仿信号变换为一位码流的线性调制器,这以后装备可将信号重构为高分辨率数字字的数字滤波器。此办法的优点是可运用两种不同的数字滤波器:较慢的用于高保真反应,另一个低保真快速滤波器用于维护正弦波逆变器。在图2中,绕组分流器用于丈量电机绕组电流,隔离式ADC用于在隔离栅上传输10 MHz数据流。Sinc滤波器可将高分辨率电流数据提交给电机操控算法,该算法会核算施加所需正弦波逆变器电压需求的正弦波逆变器占空比。另一个低分辨率滤波器可检测电流过载,并在呈现毛病时将跳变信号发送至PWM调制器。Sinc滤波器频率呼应曲线解说阐明晰适宜的参数挑选怎么可以使滤波器按捺电流采样中的PWM开关纹波。

如何正确选择正弦波逆变器应用中隔离架构、电路和元件?

(图2. 隔离式电流反应)

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(图3. Sinc滤波器频率呼应)


电源输出隔离

两种操控架构的一起问题是需求支撑多个隔离电源域。如果每个域需求多个偏置轨,就愈加难以完成。图4的电路可发生+15 V和–7.5 V电压用于栅极驱动,+5 V电压用于为ADC供电,均在一个域中,一起每个域仅运用一个变压器绕组和两个引脚。运用一个变压器磁芯和骨架为四个不同电源域发明双电源或三电源。

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