圖6. 實(shí)測電機(jī)電流：(左)500 ns死區(qū)時間；(右)1μs死區(qū)時間

ADuM4223柵極驅(qū)動器的傳輸延遲失配為12 ns，因此可以使用IGBT開關(guān)所需的絕對最短死區(qū)時間。對于IR IGBT，最短死區(qū)時間可設(shè)置為500 ns。從左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。右圖顯示死區(qū)時間提高到1 μs時的線電壓和相電流。此值更能代表光耦合柵極驅(qū)動器的需求，因?yàn)槠鋫鞑パ舆t失配和漂移更大。電壓和電流的失真均有明顯增加。這種情況使用的感應(yīng)電機(jī)是相對較小的高阻抗電機(jī)。在更高功率的終端應(yīng)用中，感應(yīng)電機(jī)阻抗通常要低得多，導(dǎo)致電機(jī)電流失真和扭矩紋波增加。扭矩紋波在很多應(yīng)用中都會產(chǎn)生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機(jī)械系統(tǒng)中的軸承/聯(lián)軸器磨損。

過流關(guān)斷

現(xiàn)代柵極驅(qū)動器的另一個重要問題是處理器發(fā)出的關(guān)斷命令能以多快的速度在IGBT上實(shí)現(xiàn)。這對于以下情況中的過流關(guān)斷很重要：過流檢測不是柵極驅(qū)動器本身的一部分，而是作為檢測與濾波電路的一部分加以實(shí)現(xiàn)。這方面的另一個壓力是更高效率IGBT的短路耐受時間縮短。對此，IGBT技術(shù)的趨勢是從業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)10μs縮短到5 μs甚至更短。如圖7所示，過流檢測電路通常需要數(shù)微秒時間來鎖存故障；為了順應(yīng)總體發(fā)展趨勢，必須采取措施來縮短這一檢測時間。該路徑中的另一主要因素是從處理器/FPGA輸出到IGBT柵極(柵極驅(qū)動器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相對于光學(xué)器件有明顯優(yōu)勢，原因是前者的傳播延遲值非常小，通常在50 ns左右，不再是影響因素。相比之下，光耦合器的傳播延遲在500 ns左右，占到總時序預(yù)算的很大一部分。

圖7. 故障關(guān)斷時序

電機(jī)控制應(yīng)用的柵極驅(qū)動器關(guān)斷時序如圖8所示，其中處理器的關(guān)斷命令跟在IGBT柵極發(fā)射極信號之后。從關(guān)斷信號開始到IGBT柵極驅(qū)動信號接近0的總延遲僅有72 ns。

圖8. 過流關(guān)斷柵極驅(qū)動器時序

小結(jié)

隨著人們更加關(guān)注系統(tǒng)性能、效率和安全，電機(jī)控制架構(gòu)師在設(shè)計(jì)穩(wěn)健系統(tǒng)時面臨著日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)。基于光耦合器的柵極驅(qū)動器是傳統(tǒng)選擇，但基于變壓器的解決方案不僅在功耗、速度、時間穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢，而且如本文所述，由于信號延遲縮短，其在系統(tǒng)性能和安全方面也有明顯優(yōu)勢。這使得設(shè)計(jì)人員可以在防止上橋和下橋開關(guān)同時接通的同時，有把握地縮短死區(qū)時間，改善系統(tǒng)性能。此外，它還支持對系統(tǒng)命令和錯誤作出更快速的響應(yīng)，這同樣能增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并提高安全性。鑒于這些優(yōu)勢，基于變壓器的隔離式柵極驅(qū)動器已成為電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個主要選擇；強(qiáng)烈建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)下一個項(xiàng)目時，把器件延遲作為一項(xiàng)重要要求。