在交流电机驱动中实现隔离

信号和电源隔离有助于确保交流电机驱动系统的稳定运行，并保护操作人员免受高压危险。

但并非所有隔离技术都能满足所有需求，尤其是在器件寿命和温度性能方面。

为解决交流（AC）电机设计挑战，本文对比了德州仪器（TI）的基于电容的隔离技术和传统的隔离技术，包括隔离栅极驱动器在功率级、隔离电压、电流反馈或控制模块中隔离式数字输入。

什么是交流电机驱动系统？

交流电机驱动是一种使用交流电输入的感应电动机，如图 1 所示，它可以驱动大型工业负载，例如加热、通风、商业楼宇的空调、泵和压缩机的运行。交流电机也能驱动需要调节速度的工厂自动化和工业器件负载，例如传送带或隧道掘进、采矿和造纸设备。

图 1. 工厂中带有交流电机驱动的感应电机

交流电机驱动采用交流能量，将其整流为直流母线电压，实现复杂的控制算法，然后基于负载需求通过复杂的控制算法将直流电转换回交流电。

图 2 所示为交流电机驱动系统的框图，其中功率级和电源供给标记为绿色。

交流电机驱动中的隔离

诸如交流电机驱动之类的电机驱动系统包含高电压和高功率等级；因此，必须采取措施保护操作人员和整个系统的关键组件。

此外，也需要保护关键系统组件（例如控制器和通信外围器件）免受电机驱动中的大功率和高压电路的影响。根据国际电工委员会 61800-5-1 安全标准的定义，可通过半导体集成电路（IC）在组件级进行隔离来实现电路之间的绝缘。

隔离 ICs 可在高压和低压单元之间传输数据和功率，同时可防止任何危险的直流电或不受控制的瞬态电流。通常来讲，隔离器通过隔离栅在电路内提供所需的绝缘等级。隔离栅将高压与人可接触的零件分开。

在交流电机驱动中实现隔离

设计人员在交流电机驱动中实现隔离隔栅时有多种选择，但过去 40 年来，在系统中实现电流隔离的最常用器件一直是光耦合器，也称为光隔离器或光电耦合器。尽管光耦合器具有成本效益且普遍存在，但其无法提供与最新隔离方法同等水平的温度性能或器件寿命。

TI 的电容隔离技术在将二氧化硅（基础片上绝缘）用作电介质的电容电路中集成了增强的信号隔离功能。与光耦合器不同，其可将隔离电路与其他电路集成在同一芯片上。通过此工艺制造的隔离器具有可靠性、防震性和增强的隔离性，相当于单个封装中的两个基本隔离等级。

以下各部分探讨了交流电机驱动设计中与隔离相关的三个关键设计挑战，同时还重点介绍了电容隔离相较于光耦合器的优势。

隔离功率级中的栅极驱动器

交流电机驱动的功率级中使用的功率转换器拓扑是用于传输千瓦至兆瓦范围内功率的三相逆变器拓扑。这些逆变器将直流电源转换为交流电源。典型的直流总线电压为 600 V-1，200V。该三相逆变器使用六个隔离式栅极驱动器来打开和关闭电源开关（通常是一组绝缘栅门极晶体管［IGBTs］或 IGBT 模块）。由于其卓越的性能，设计人员开始使用宽带隙器件，例如碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）或模块。

每个相都使用通常处在 20kHz 至 30kHz 范围内工作的高侧和低侧 IGBT 开关，以交替模式向电机绕组施加正负高压直流脉冲。每个 IGBT 或 SiC 模块均由单个隔离式栅极驱动器驱动。栅极驱动器的高压输出与来自控制器的低压控制输入之间的隔离是产生电流的。栅极驱动器将来自控制器的脉冲宽度调制（PWM）信号转换为用于场效应晶体管（FETs）或 IGBTs 的栅极脉冲。此外，这些栅极驱动器需要具有集成的保护功能，例如去饱和作用、有源米勒钳位和软关断。

隔离栅极驱动器具有两侧：初级侧（即输入级）和次级侧（与 FET 连接）。初级侧有两种类型的输入级：基于电压和基于电流的输入级。通过输入级，栅极驱动器可以连接到能够告知栅极驱动器在指定时间打开或关闭的控制器。

使用基于电流的输入级的光耦合器栅极驱动器通常在电机驱动应用中驱动 IGBTs。基于电流的输入级往往具有较好的抗噪能力，因此需要在控制器和光耦合器之间设置一个缓冲级。使用缓冲级的基于电流的输入级驱动器的功耗通常也会更高。