사용자와 민감한 전자 부품의 분리는 모터 제어 시스템에 중요한 고려 사항입니다. 안전 격리는 사용자를 유해한 전압으로부터 보호하는 데 사용되며 기능적 격리는 특별히 장비 및 장치를 보호하도록 설계되었습니다. 모터 제어 시스템에는 구동 회로의 분리 된 게이트 드라이버와 같은 다양한 분리 장치가 포함될 수 있습니다. 검출 회로의 분리 된 ADC, 증폭기 및 센서; 및 통신 회로에서 분리 된 SPI, RS -485 및 표준 디지털 차단기. 안전상의 이유와 성능을 최적화하기 위해 이러한 장치를 신중하게 선택해야합니다.
격리는 중요한 시스템 고려 사항이지만 단점이 있습니다. 전력 소비를 증가시킬 수 있으며, 격리 장벽을 통해 데이터를 전송하면 지연이 생성되며 시스템 비용이 증가 할 수 있습니다. 시스템 설계자들은 전통적으로 광학 분리 솔루션으로 전환했으며, 수년 동안 시스템 격리를위한 최선의 선택이었습니다.
지난 10 년 동안, 자기 (변압기 전송) 방법을 기반으로 한 디지털 차단기는 실행 가능하고 많은 경우 우수한 대안을 제공했습니다. 시스템 관점에서 볼 때 시스템 설계자가 인식하지 못한 장점도 제공합니다. 다음에 두 가지 분리 솔루션이 설명되어 있으며, 자기 분리가 제공하는 지연 타이밍 성능의 개선과 시스템 수준에서 모터 제어 응용 분야의 결과 이점에 중점을 둡니다.
격리 방법
Optocouplers는 그림 1과 같이 1 차 전송 방법으로 빛을 사용합니다. 전송 측면은 LED로 구성됩니다. 높은 레벨 신호가 LED를 켜고 LED를 끄는 낮은 레벨 신호가있는 LED로 구성됩니다. 수신 측면은 수신 된 라이트 신호를 다시 전기 신호로 변환하기 위해 광 검출기를 사용합니다. 분리는 LED와 광 검출기 사이의 가소 화 된 재료에 의해 제공되지만, 추가 분리 층 (일반적으로 중합체 기반)을 사용하여 향상 될 수있다.
그림 1. Optocoupler 구조
Optocouplers의 가장 큰 단점 중 하나는 전송 특성을 표류 할 수있는 LED 노화입니다. 디자이너는이 추가 문제를 고려해야합니다. 엔드 노화는 시간과 온도에 걸쳐 타이밍 성능을 표류하게됩니다. 결과적으로, 신호 및 상승/가을 시간은 영향을 받고, 특히이 백서의 뒷부분에서 다루어야 할 문제를 감안할 때 설계를 복잡하게합니다.
OptoCouplers의 성능 스케일링도 제한적입니다. 데이터 속도를 높이기 위해, 옵토 커플러에 내재 된 기생 커패시턴스 문제를 극복해야하므로 전력 소비가 높아집니다. 기생충 커패시턴스는 또한 옵토 커플러 기반 분리 장치가 경쟁 솔루션에 열등한 CMTI (공통 모드 과도 면역) 성능을 갖도록하는 커플 링 메커니즘을 제공합니다.
자기 절연체 (변압기 기반)는 10 년 이상 대규모로 사용되어 왔으며 옵토 커플러에 대한 유효한 대안입니다. 이들 절연체는 표준 CMOS 기술을 기반으로하며, 그림 2와 같이 폴리이 미드 또는 이산화 실리콘으로 구성된 분리 층을 사용하여 자기 전달 원리를 이용합니다. 저수준 전류는 코일을 통해 펄스에서 펄스로 전달되어 자성 장벽을 통과하고 배리어의 두 번째 코일에서 전류를 유도합니다. 표준 CMOS 구조의 사용으로 인해 전력 소비 및 속도 측면에서 상당한 이점을 제공하며 옵토 커 커플러와 관련된 수명 편차 문제로 어려움을 겪지 않습니다. 또한, 변압기 기반 차소기의 CMTI 성능은 Optocoupler 기반의 Islator의 CMTI 성능보다 우수합니다.
그림 2. 자기 변압기 구조
트랜스포머 기반의 절연체는 또한 기존의 신호 처리 모듈 (가짜 입력의 전송을 방지하기 위해) 및 고급 전송 코덱 메커니즘을 사용할 수 있습니다. 이를 통해 양방향 데이터 전송, 다양한 코딩 체계를 사용하여 전력 소비 대 전송 속도를 최적화 할뿐만 아니라 장벽의 다른 쪽 끝에 임계 신호의 더 빠르고 일관된 전송이 가능합니다.
지연 특성 비교
모든 아이 단기의 중요하지만 종종 간과되는 특성은 전송 지연입니다. 이 특성은 구동 신호 또는 결함 감지 신호 일 수있는 신호에 걸리는 시간을 어느 방향 으로든 장벽을 가로 질러 측정합니다. 전송 지연은 기술에 따라 크게 다릅니다. 일반적인 지연 값이 일반적으로 제공되지만 시스템 설계자는 특히 최대 지연에 관심이 있습니다. 이는 모터 제어 시스템을 설계 할 때 고려해야 할 중요한 특성입니다. 옵토 커플러 및 자기 분리 된 게이트 드라이버에 대한 전송 지연 및 지연 편차 값의 예는 표 1에 나와 있습니다.
표 1 : 옵토 커플러 및 자기 절연체의 전형적인 지연 특성
표 1에 도시 된 바와 같이, 자기 분리는 최대 지연 및 지연 반복성 (편차) 측면에서 상당한 이점을 갖는다. 결과적으로, 모터 제어 설계자는 디자인에 더 많은 자신감을 가질 것이며 게이트 드라이버 특성을 충족시키기 위해 타이밍 마진을 추가 할 필요가 없습니다. 이것은 모터 제어 시스템의 성능 및 안전에 매우 중요한 영향을 미칩니다.
모터 제어 시스템에 대한 시스템 영향
그림 3은 AC 모터 제어 응용 프로그램에 사용되는 전형적인 3 상 인버터를 보여줍니다. 이 인버터는 DC 버스에서 공급되며, DC 공급은 일반적으로 다이오드 브리지 정류기 및 용량 성/유도 자실 필터를 통해 AC 공급에서 직접 생성됩니다. 대부분의 산업 응용 분야에서 DC 버스 전압은 300 범위입니다.
v ~ 1000 V 범위. 펄스 폭 변조 (PWM) 체계는 전력 트랜지스터를 5kHz ~ 10의 일반적인 주파수로 전환하는 데 사용됩니다.
KHZ 전력 트랜지스터 T1을 T6으로 스위치하기위한 전형적인 주파수는 모터 터미널에서 가변 전압, 가변 주파수, 3 상 정현파 AC 전압을 생성합니다.
그림 3. 모터 제어 응용을위한 3 상 인버터
PWM 신호 (예 : PWMAH 및 PWMAL)는 모터 컨트롤러 (일반적으로 프로세서 및/또는 FPGA로 구현)에서 생성됩니다. 이 신호는 일반적으로 프로세서와 공통적 인 접지 인 저전압 신호입니다. 전원 트랜지스터를 올바르게 켜고 끄려면 로직 레벨 신호의 전압 레벨 및 전류 구동 기능을 증폭시켜야하며,지면 참조가 해당 전력 트랜지스터의 방출 극에 있도록 추가로 레벨이 이동해야합니다. 시스템의 프로세서의 위치에 따라 이러한 신호에는 안전 단열이 필요할 수도 있습니다.
게이트 드라이버 (그림 3의 GDRVAL 및 GDRVAH 등)는이 기능을 수행합니다. 각 게이트 드라이버 IC는 프로세서 접지에 참조 된 1 차 측면 공급 전압 및 트랜지스터 이미 터를 참조하는 2 차 측면 공급이 필요합니다. 보조 공급의 전압 레벨은 전원 트랜지스터 (일반적으로 15
v) 트랜지스터 게이트를 충전하고 배출 할 수있는 충분한 전류 구동 기능이 있습니다.
인버터 데드 타임
전력 트랜지스터는 유한 스위칭 시간을 가지므로 그림 4와 같이 상단 및 하부 브리지 트랜지스터 사이의 펄스 폭 변조 파형에 죽은 시간을 삽입해야합니다. 이는 두 트랜지스터가 실수로 동시에 켜지지 않도록하여 고전압 DC 버스에서 단락을 발생시켜 시스템 고장 및/또는 손상의 위험을 초래합니다. 죽은 시간의 길이는 트랜지스터 전환 시간과 게이트 드라이버 전송 지연 불일치 (불일치로 인한 드리프트 포함)의 두 가지 요소에 의해 결정됩니다. 다시 말해, 죽은 시간은 프로세서에서 상단 브리지 게이트 드라이버 사이의 트랜지스터 게이트로 PWM 신호의 전송 시간의 차이를 설명해야합니다.
그림 4. 데드 타임 보간
죽은 시간은 모터, 특히 저속에서 적용되는 평균 전압에 영향을 미칩니다. 실제로 Dead Time은 대략 일정한 크기의 다음 오차 전압을 도입합니다.
Verror가 오류 전압 인 경우, Tdead는 Dead Time, TON 및 TOFF는 트랜지스터 턴온 및 턴 오프 지연 시간, TS는 PWM 스위칭 기간, VDC는 DC 버스 전압, VSAT는 전력 트랜지스터의 온 상태 전압 강하이며 VD는 Diode 전도 전압입니다.
위상 전류가 방향을 변경하면 오차 전압이 극성을 변경하여 라인 전류가 가로 지르면 모터 인터 라인 전압이 단계 변화를 겪게됩니다. 이것은 정현파 기본 전압에서 고조파를 유발하여 모터에서 고조파 전류를 생성합니다. 이는 오픈 루프 드라이브에 사용되는 더 크고 저 임플런스 모터에 특히 중요한 문제이며, 고조파 전류가 중요하여 저속 진동, 토크 리플 및 고조파 가열을 초래합니다.
죽은 시간은 다음 조건에서 모터 출력 전압 왜곡에 가장 심각한 영향을 미칩니다.
높은 DC 버스 전압
오랫동안 죽은 시간
높은 스위칭 주파수
저속 작동, 특히 제어 알고리즘에 보상이 추가되지 않는 오픈 루프 드라이브에서
저속 작동은이 모드에서는 적용된 모터 전압이 매우 낮으며 사망 시간으로 인한 오차 전압은 적용된 모터 전압의 상당 부분이 될 수 있기 때문에 중요합니다. 또한, 시스템 관성의 필터링은 더 빠른 속도로만 이용 가능하기 때문에 오차 전압으로 인한 왜곡 지터의 영향은 훨씬 더 해입니다.
이러한 모든 매개 변수 중에서, 죽은 시간 길이는 격리 된 게이트 드라이버 기술의 영향을받는 유일한 길이입니다. 죽은 시간 길이의 일부는 파워 트랜지스터의 스위칭 지연 시간에 의해 결정되지만 나머지는 전파 지연 불일치와 관련이 있습니다. 이와 관련하여, 광학 고립기는 자기 분리 기술보다 분명히 열등합니다.
응용 프로그램 예
전기 전기 왜곡에 대한 죽은 시간의 영향을 설명하기 위해, 3 상 인버터를 기반으로 한 개방 루프 모터 드라이브에 대한 결과는 다음과 같습니다.
인버터 게이트 드라이버는 ADI Corporation의 자기 차단기를 사용합니다.
(ADUM4223ADUM4223) 700V의 DC 버스 전압으로 IR의 IRG7PH46UDPBF1200VIGBT를 직접 구동하려면 인버터는 개방 루프 V/F 제어 모드에서 3 상 유도 모터를 구동합니다. 라인 전압 및 위상 전류는 분리 된 ∑-∆ 변조기 (ADI의 AD7403)와 함께 저항 전압 분배기 및 분로 저항을 사용하여 별도로 측정됩니다. 각 모듈레이터의 장치 데이터 스트림 출력은 제어 프로세서로 전송됩니다.
(ADI의 ADSP-CM408) 데이터가 필터링되고 추출되어 전압 및 전류 신호의 정확한 표현을 생성합니다.
SINC 디지털 필터의 측정 된 라인 전압 출력은 그림 5에 나와 있습니다. 실제 라인 전압은 10kHz에서 높은 스위칭 주파수 파형이지만, 우리의 관심의 낮은 주파수 부분을 보여주기 위해 디지털 필터에 의해 필터링됩니다. 해당 모터 위상 전류가 그림 6에 나와 있습니다.
표시.
그림 5. 측정 된 인터 라인 모터 전압 : (왼쪽) 500 ns 데드 타임; (오른쪽) 1 µs 데드 타임
그림 6. 측정 된 모터 전류 : (왼쪽) 500 ns 데드 타임; (오른쪽) 1µs 데드 타임
ADUM4223 게이트 드라이버는 12NS의 전송 지연 불일치가 있으므로 IGBT 스위칭에 필요한 절대 최소 사망 시간을 사용할 수 있습니다. IRIGBTS의 경우 최소 사선 시간을 500ns로 설정할 수 있습니다. 왼쪽 그림에서 볼 수 있듯이이 경우 전압 왜곡은 최소화됩니다. 마찬가지로, 위상 전류는 정현파이므로 토크 리플이 최소화됩니다. 오른쪽 그래프는 죽음이 1µs로 증가 할 때 라인 전압 및 위상 전류를 보여줍니다. 이 값은 전파 지연 불일치 및 드리프트가 더 큰 광학적으로 결합 된 게이트 드라이버의 요구를 더 대표합니다. 전압과 전류 왜곡이 크게 증가합니다. 이 경우에 사용 된 유도 모터는 비교적 작고 높은 임피던스 모터입니다.
더 높은 전력 엔드 이용 응용 분야에서, 유도 모터 임피던스는 일반적으로 훨씬 낮아서 운동 전류 왜곡 및 토크 리플이 증가합니다. 토크 리플은 엘리베이터 승차 안락함 또는 기계 시스템의 베어링/커플 링 마모와 같은 많은 응용 분야에서 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.
과전류 종료
현대 게이트 드라이버의 또 다른 중요한 문제는 IGBT에서 프로세서의 종료 명령을 얼마나 빨리 실현할 수 있는지입니다. 이는 과전류 감지가 게이트 드라이버 자체의 일부가 아니라 감지 및 필터링 회로의 일부로 구현되는 상황에서 과전류 종료에 중요합니다. 이 영역의 또 다른 압력은보다 효율적인 IGBT의 단락 내기 시간의 단축입니다. 이와 관련하여 IGBT 기술의 추세는 업계 표준 10 ~ 5µs 이하의 산업 표준에서 단락 내 견딜 시간을 줄이는 것입니다. 도 7에 도시 된 바와 같이, 과전류 검출 회로는 일반적으로 결함에 걸리기 위해 몇 마이크로 초가 필요하다; 전반적인 추세를 따라 잡으려면이 탐지 시간을 줄이기위한 단계를 수행해야합니다. 이 경로의 또 다른 주요 요인은 프로세서/FPGA 출력에서 IGBT 게이트 (게이트 드라이버)로의 전파 지연입니다.
다시, 자기 절연체는 전자의 전파 지연 값이 매우 작고 일반적으로 약 50ns이며 더 이상 영향을 미치지 않기 때문에 광학 장치에 비해 명확한 이점이 있습니다. 대조적으로, OptoCoupler의 전파 지연은 500ns의 순서이며 총 타이밍 예산의 상당 부분을 차지합니다.
그림 7. 결함 종료 타이밍
모터 제어 응용 프로그램의 게이트 드라이버 셧다운 타이밍은 그림 8에 나와 있으며, 여기서 프로세서 종료 명령은 IGBT 게이트 이미 터 신호를 따릅니다. IGBT 게이트 드라이버 신호 0에 접근 할 때까지 종료 신호 시작부터 총 지연은 72ns에 불과합니다.
그림 8. 과전류 종료 게이트 드라이버 타이밍
요약
시스템 성능, 효율성 및 안전에 중점을 두면서 모터 제어 설계자는 강력한 시스템 설계에 점점 더 복잡한 어려움에 직면 해 있습니다. Optocoupler 기반 게이트 드라이버는 전통적인 선택이지만, 변압기 기반 솔루션은 전력 소비, 속도 및 시간 안정성 측면에서 더 유리할뿐만 아니라,이 백서에서 논의 된 바와 같이, 더 짧은 신호 지연으로 인한 시스템 성능 및 안전 측면에서도 더 유리합니다. 이를 통해 디자이너는 자신있게 막 다른 시간을 줄이고 시스템 성능을 향상시키면서 상단 및 하단 브리지 스위치가 동시에 켜지지 않도록합니다.
또한 시스템 명령 및 오류에 대한 빠른 응답을 지원하여 시스템 신뢰성을 다시 향상시키고 안전을 향상시킵니다. 이러한 장점을 감안할 때, 변압기 기반 분리 된 게이트 드라이버는 모터 제어 시스템 설계의 주요 옵션이되었습니다. 시스템 설계자는 다음 프로젝트를 설계 할 때 장치 대기 시간을 중요한 요구 사항으로 만드는 것이 좋습니다.