系统架构选择对电源和控制电路性能影响

如何选择符合目标系统规格以及标准的相应架构、电路和元件呢？这些是由电路满足在效率、带宽和精度方面提供系统所需性能，同时又满足安全隔离要求来决定的。

本文探讨了系统架构选择对电源和控制电路设计以及系统性能的影响。

隔离构架

我们关心的问题是您需要根据用户提供的命令，安全地控制从交流电源到负载的能量流动。此问题在图 1 所示的高电平电机驱动系统图中针对以下三个电源域进行了阐述：给定、控制和功率。

图1. 电机控制系统中的隔离架构

安全性要求是，用户给定电路必须与功率电路上的危险电压进行电位隔离。架构决策取决于隔离栅放置在给定和控制电路之间还是控制和功率电路之间。在电路之间引入隔离栅会影响信号完整性并增加成本。

模拟反馈信号的隔离尤其困难，因为传统变压器方法会抑制直流信号分量并引入非线性。低速时的数字信号隔离相当简单，但在高速或需要低延迟时则非常困难，并且耗电量巨大。带3相逆变器的系统中的电源隔离尤为困难，因为有多个电源域连接至电源电路。电源电路有四个不同域，这些域需彼此之间需要功能性隔离；所以高端栅极驱动和绕组电流信号需要与控制电路功能性隔离，即使两者可能与功率地共地。

非隔离式控制架构

非隔离式控制架构在控制和电源电路之间存在共同的接地连接。这样电机控制 ADC 可获取电源电路中的所有信号。电机绕组电流流入低侧逆变器臂时，ADC 在基于中心的PWM信号的中点处进行采样。低侧 IGBT 栅极的驱动器可以是简单的非隔离式，但 PWM 信号须经由具有功能性隔离或电平移位转换实现与三个高侧 IGBT 栅极隔离。命令和控制电路之间的隔离造成的复杂性取决于最终应用，但通常涉及使用独立系统和通信处理器。简单处理器即可管理前面板接口并在慢速串行接口上发送速度命令的架构在家用设备或低端工业应用中可以接受。由于命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应用的高性能驱动器中较少见。

隔离式控制架构

隔离式控制架构在控制和命令电路之间存在共同的接地连接。这使得控制和命令接口之间可以实现非常紧密的耦合，并且可使用单个处理器。隔离问题转到电源逆变器信号上来，从而带来一系列不同挑战。栅极驱动信号需要相对高速的数字隔离来满足逆变器的时序要求。由于存在非常高的电压，磁性或光学耦合的驱动器在隔离要求极高的逆变器应用中表现良好。直流母线电压隔离电路的要求则适中，这是因为其需要的动态范围和带宽较低。电机电流反馈是高性能驱动器中最大的难题，因为其需要高带宽和线性隔离。电流互感器(CT)是很好的选择，因为它们提供的隔离信号能够轻松测量。CT在低电流时具有非线性，不会传输直流电平，但广泛用于低端逆变器中。CT还用于带非隔离式控制架构的大功率逆变器，因为这些场合下采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测量交流信号，因此更适合高端驱动器，但受失调影响。阻性分流器可提供高带宽、线性信号，而且偏移低，但需要与高带宽、低偏移隔离放大器相匹配。通常，电机控制AD C可直接采样隔离电流信号，但下一节描述的替代测量架构可将隔离问题转移到数字域，并且能够大幅提升性能。

使用隔离式转换器的逆变器反馈