表1: 光耦合器和磁隔离器的典型延迟特性
如表1所示,磁隔离在最大延迟和延迟可重复性(偏差)方面优势明显。这样,电机控制设计人员对设计将更有信心,无需增加时序裕量以满足栅极驱动器特性。对于电机控制系统的性能和安全,这都有着非常重要的意义。
对电机控制系统的系统影响
图3显示了交流电机控制应用中采用的典型三相逆变器。该逆变器由直流母线供电,直流电源通常是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从交流电源产生。在大部分工业应用中,直流母线电压在300 V至1000 V范围内。采用脉宽调制(PWM)方案,以5 kHz至10 kHz的典型频率切换功率晶体管T1至T6,从而在电机端子上产生可变电压、可变频率的三相正弦交流电压。
图3. 电机控制应用中的三相逆变器
PWM信号(如PWMaH和PWMaL)在电机控制器(一般用处理器和/或FPGA实现)中产生。这些信号一般是低压信号,与处理器共地。为了正确开启和关闭功率晶体管,逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力必须被放大, 另外还必须进行电平转换,从而以相关功率晶体管发射极为接地基准。根据处理器在系统中的位置,这些信号可能还需要安全绝缘。
栅极驱动器(如图3中的GDRVaL和GDRVaH)执行这种功能。每个栅极驱动器IC都需要一个以处理器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。副边电源的电压电平必须能够开启功率晶体管(通常为15 V),并有足够的电流驱动能力来给晶体管栅极充电和放电。
逆变器死区时间
功率晶体管有一个有限的开关时间,因此,上桥和下桥晶体管之间的脉宽调制波形中必须插入一个死区时间,如图4所示。这是为了防止两个晶体管意外同时接通,引起高压直流母线短路,进而造成系统故障和/或损坏风险。死区时间的长度由两个因素决定:晶体管开关时间和栅极驱动器传输延迟失配(包括失配的任何漂移)。换言之,死区时间必须考虑PWM信号从处理器到上桥和下桥栅极驱动器之间的晶体管栅极的任何传输时间差异。