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(diǎn)。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(huì)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?yàn)樗谥苯舆B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(jí)，范圍從標(biāo)準(zhǔn)效率(IE1)到超頂級(jí)效率(IE4)。今天，IE3頂級(jí)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?yàn)樵陔姍C(jī)的壽命期間，電機(jī)的資本投入只是電費(fèi)的一小部分。哪怕將頂級(jí)效率電機(jī)替換為15 kW超頂級(jí)效率IE4電機(jī)，其額外的成本也會(huì)在兩年內(nèi)通過節(jié)約的電費(fèi)收回。電機(jī)效率要求的這種趨勢(shì)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(dòng)和信號(hào)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(chǎng)機(jī)遇。頂級(jí)效率和超頂級(jí)效率電機(jī)的材料、設(shè)計(jì)、制造成本相比標(biāo)準(zhǔn)效率電機(jī)更高，但市場(chǎng)售價(jià)也更高。然而，最新的效率分類等級(jí)IE5和IE6將對(duì)電機(jī)制造商造成不少困擾。電機(jī)專家相信，要設(shè)計(jì)線路連接式的SQIM來滿足高于IE4的效率等級(jí)——尤其是較低功率范圍(de Almeida)——將會(huì)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(jí)。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(gè)問題。最新的軸向電機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)汽車市場(chǎng)而開發(fā)，可緩解這些問題。此外，人們正在考慮針對(duì)IE5效率等級(jí)驅(qū)動(dòng)(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(shí)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(shì)推動(dòng)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(dòng)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(yùn)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(jì)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(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗馨踩貙?a target="_blank">控制器用戶界面與連接逆變器的危險(xiǎn)高電壓相隔離。

有多種高等級(jí)因素會(huì)影響特定驅(qū)動(dòng)中的隔離要求和架構(gòu)，這些因素包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能等級(jí)、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。

很多情況下，關(guān)鍵的隔離節(jié)點(diǎn)是柵極驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)相位電流檢測(cè)電路。這兩處均涉及與開關(guān)高電壓有關(guān)的控制或測(cè)量信號(hào)，并且至少包含某種形式的電平轉(zhuǎn)換，很多時(shí)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(hào)。

參見圖2中的概念圖；該圖描述了單個(gè)逆變器相位臂，并標(biāo)出了高端柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和相位分流檢測(cè)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和潛在的信號(hào)隔離要求。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

由圖2還能看出一個(gè)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的基本要求，包括：邏輯電平開關(guān)信號(hào)的功能或安全隔離，以及可驅(qū)動(dòng)IGBT柵極電壓通過開啟和關(guān)斷閾值的輸出驅(qū)動(dòng)器(以便在最短時(shí)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(shí)導(dǎo)通，哪怕時(shí)間很短。這就要求在高端和低端開關(guān)信號(hào)之間插入一個(gè)小的死區(qū)時(shí)間片段。最大程度縮短這個(gè)死區(qū)時(shí)間段無論對(duì)系統(tǒng)性能還是對(duì)IGBT保護(hù)而言都非常重要(O’Sullivan)。

IGBT導(dǎo)通要求IGBT驅(qū)動(dòng)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(dòng)至工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導(dǎo)通時(shí)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(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。但是，必須考慮高端晶體管導(dǎo)通時(shí)的副作用。開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(gè)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(huì)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。

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(dòng)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(shí)間內(nèi)降低柵極驅(qū)動(dòng)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(duì)導(dǎo)通與關(guān)斷采用非對(duì)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(dòng)器功能都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的過流保護(hù)通常在多個(gè)等級(jí)內(nèi)部署。驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案中可能包含持續(xù)過流和瞬時(shí)過流的區(qū)別，而這些過流事件具有不同的跳變電平和時(shí)間常數(shù)。這類過流保護(hù)通?；陔娏鳒y(cè)量進(jìn)行部署。對(duì)于極快速和可能會(huì)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(dòng)器中集成快速響應(yīng)保護(hù)機(jī)制可能會(huì)非常有用。IGBT導(dǎo)通時(shí)，通過監(jiān)控IGBT集電極發(fā)射極電壓便可實(shí)現(xiàn)去飽和保護(hù)。IGBT飽和時(shí)，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(jì)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(shí)快速關(guān)斷IGBT。有一段短暫的消隱時(shí)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(shí)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(dòng)器ADUM4135集成雙極性電源能力、米勒箝位、非對(duì)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(shí)間對(duì)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(duì)線電壓以兩個(gè)不同的死區(qū)時(shí)間水平表示。與光耦合器技術(shù)有關(guān)的更高死區(qū)時(shí)間要求導(dǎo)致更高的電機(jī)電壓和電流失真。這樣便會(huì)增加扭矩紋波和振動(dòng)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(duì)較低；然而，哪怕在高性能驅(qū)動(dòng)以及高帶寬電流和速度控制中，死區(qū)時(shí)間相關(guān)的失真也會(huì)成為極低速性能的限制因素。

隔離電流檢測(cè)

對(duì)于分流式測(cè)量而言，電機(jī)相位電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與柵極驅(qū)動(dòng)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(cè)對(duì)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(shí)現(xiàn)高保真測(cè)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(shì)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(dòng)器功能來實(shí)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(cè)方案可能通過快速粗調(diào)數(shù)字濾波器直接實(shí)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(dòng)器的低傳播延遲同時(shí)具備精確時(shí)序；ADI的iCoupler?技術(shù)可以做到這一點(diǎn)，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(dòng)架構(gòu)之后，系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)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(dòng)器和電流檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的隔離要求。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和降噪，如圖1所示。系統(tǒng)級(jí)要求可以通過使用多個(gè)隔離柵實(shí)現(xiàn)。IEC61800-5-1是已實(shí)施很長一段時(shí)間的系統(tǒng)級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(píng)估。IEC61800-5-1建議使用支持系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求的元件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。IEC60747-5-5針對(duì)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(duì)數(shù)字隔離器，于2006年開始實(shí)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。

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(dòng)和某種形式的電流檢測(cè)來保護(hù)從簡單的開環(huán)逆變器到驅(qū)動(dòng)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(diǎn)放在精確時(shí)序和精確測(cè)量上，以及可靠性和魯棒性上。在法規(guī)框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署對(duì)于信號(hào)隔離提出了重大挑戰(zhàn)。

參考電路

ABB. “ABB’s new SynRM2 Motor Technology will Deliver IE5 Efficiency Without Rare Earth Magnets (ABB的SynRM2電機(jī)技術(shù)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(yīng)電機(jī)——提升效率的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì))。”IEEE工業(yè)應(yīng)用匯刊，第50卷，第3期，2014年5/6月。

O’Byrne, N?！斑m用于工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制的測(cè)量技術(shù)”。ADI公司，2014年。

O’Sullivan, D和M. Moroney。“利用數(shù)字隔離器技術(shù)增強(qiáng)工業(yè)電機(jī)控制性能”。ADI公司，2014年。