电机驱动器隔离功率级模块参考设计介绍

我们首先讨论伺服电机功率模块 取决于系统的电压等级和隔离要求 针对于驱动信号电压电流采样信号 功率级设计 往往需要采用EMC抗扰性较强的基本和增强型隔离器件 如框图和标记所示 接下来介绍的参考设计 围绕着隔离栅极驱动和隔离电流采样子系统 igbt是伺服电机客户的常见选择 控制信号控制igbt的开通和关断 最终影响电机的速度 位置 转矩 等重要参数 对于隔离驱动器一种常见的选择是光耦隔离驱动器 TIDA 010025采用光兼容隔离式栅极驱动器 提供了一个抗干扰性更好 工作温度范围更广 控制延迟 更小寿命更长的子系统设计方案 值得一提的是 这里的光兼容隔离式栅极驱动器 可以与常见光耦隔离散制驱动器实现引脚兼容 由电路框图可见 这里采用了六个ucc 23513隔离栅极驱动器 驱动六个igbt 其中高边的三个驱动器 由于设计悬浮 采用相互隔离的电源供电 而低边三个驱动器公用一个电源供电 该参考设计还包括隔离式电流电压采样 实现了增强型隔离式三相逆变器子系统 这里展现了TIDA010025的实物照片 测试设置和部分试验结果 左下角的波形展示了该设计的dbms BT硬开关的过程 其中紫色波形代表了IGBT的栅设计电压 右下角则展示了传播延时性能 可见该设计有着很小的传播延时 这有助于降低pwm波的失真程度 实现更精确的控制 TIDA010025的上述优点是通过采用ucc 23513实现的 ucc 23513是一款光兼容 单通道 隔离式的栅极驱动器 适用于igbt 碳化硅 MOSFET的驱动 具有三安培的峰值输出电流和5000伏有效值的增强型隔离等级 该器件与传统基于光耦隔离的栅极驱动器比 引脚完全兼容 同时性能上有了进一步的提升 高共模瞬态抗扰度可达100千伏每微秒 最大传播延时仅115纳秒 输入级采用了仿真二极管 与传统的LED相比 具有长期可靠性和出色的老化特性 除此之外 隔离层采用了TI特有的电容隔离技术 具有更好的隔离特性和可靠性 智能电源模块IPM因其高度集成 可大幅节省空间而受到欢迎 在对六个pwm进行隔离时 相较于六个单独的单通道隔离器 一个6通道的隔离器 在空间和成本的角度上会更有优势 TIDA01349采用高速6通道数字隔离器 iso7760在mcu和IPM的功率级之间加入了增强性隔离 与使用多个光耦隔离相比 这个方案减少了bum的数量 和PCB空间 而且隔离器道具有出色的传播延迟匹配功能 对缩短死区时间 改善控制信号失真 提高效率 除此之外使用iso760 系统的功耗降低 并且拥有了更好的EMC抗扰性 这里展示的是TIDA01349的实物照片 eft40平台以及实验结果 左下方的波形显示参考设计中iso7760 通道与通道之间的传播延时差 如图可知 测试结果大概为一纳秒 右下方的表格展示了 参考设计在电源线上进行EMC测试时 可达到高达4000伏的EFD抗扰度 两倍于EMC的标准要求 性能标准为a 表示在受到ESD脉冲时 模块按预期持续工作 系统无特性和性能损失 该设计采用的ISO7760 是ISTC系列的数字隔离器 ISO77系列由电容式二氧化硅绝缘格栅提供 高性能信号隔离 是一种高速鲁棒性强的增强性隔离 凭借创新的芯片技术和布局技术 该系列产品在电磁兼容性上进行了优化 可满足系统级 ESD EST 浪涌和辐射面的合规性 另外iso77系列提供单通道 双通道 三通道 四通道 和六通道的选项 满足对不同通道的数量需求 高分辨率隔离电流采样 在需要高性能扭矩和运动控制的工业电机驱动中至关重要 相较于霍尔效应传感器 磁通门传感器与电流互感器 分流电阻器 在线性度带宽和漂移等方面性能更好 使用隔离型[听不清]ADC大部分处理是在数据域内进行的 这使得系统更加不易受噪声影响达到 更高的系统精度 TIDA09114采用高精度增强型隔离式的[听不清]调制器 AMC1306实现了快速短路响应 和很低的满量程误差 为系统精确控制提供保障 AMC1306的输出位流通过集成式数字滤波器来抽取 比如C2000 F2837X系列控制器 内部的滤波器就可以承担这个工作 由于过流保护和转矩控制对电流采样的要求不一样 对同一个采样电流 可通过设置不同的滤波器阶数和过采样率 在滤波器模块中实施两种检条数据的路径 如图所示 一条路径是低延迟低分辨率的过流采样比较器路径 另一条路径则是高分辨率精确的数据过滤单元 用于位置和转矩控制 这里展示了测试设计和实验结果 右上的弦波形显示了TIDA00914的短路相应时间 选择三阶sink过滤波器 和八倍过采样率时 电路短路响应时间为1.3微秒. 满足IGT的短路关掉要求 左下方的曲线显示了不同温度下的绝对校准误差 使用256 os2的sinc3滤波器 测量在0摄氏度 25摄氏度和55摄氏度下完成 可见测量误差始终小于0.1% 右下方的试验波形展现了AMC 1306高侧功率 损耗检测 如果高侧电源丢失 则调制器的输出不再有效 相电流的反馈丢失导致系统故障 控制器需要一个信号来表明高测电流丢失 这里这个功能是由AMC 1306的失效防护功能完成的 AMC 1306是一款工业领先的高精度[听不清]调制器 通过抗电容极强的电容式双隔离层 将输出与输入电路隔离开来 该器件具有独特的正负50毫伏窄输入电压范围 可以选择更小组织的分流器 显著降低功耗 同时具有优秀的交流和直流性能 使得高精度的测量得以实现