【技术大神】永磁同步电机伺服控制器中光耦驱动的作用

2017-06-06 技术大神活动文章

在复杂或者极其恶劣的工作环境下,相同的伺服系统,其工作的稳定性一定会有所下降。突发情况严重时可能会影响到控制电路,如果隔离保护没有做好,甚至会烧坏主板,达到无法挽救的地步,因此在伺服系统中控制信号到门极驱动一般需要做隔离。

笔者之前有一个伺服驱动的项目,工况比较恶劣,保险起见,信号驱动端用光耦器件做了隔离。以隔离驱动的方式来驱动IGBT。

笔者在设计第一版隔离方案的时候,在1.5KW的伺服驱动器上采用了一款比较通用的隔离光耦,但是驱动能力只有2A左右。到了第二版的时候,由于功率升级的需要,光耦也需要找性能更好的替代,由于板子已经打样,只好寻找PIN-TO-PIN的光耦。几大半导体厂商的官网浏览过一遍之后,终于在瑞萨的官网上找到了这样一款型号:PS9531L3。浏览了一下,发现这款芯片的内在确实比笔者用的第一款芯片要好很多。就拿两块芯片来说,图1是两块芯片内部的结构:左图是瑞萨的光耦,右图是初次使用的其他厂家的光耦。值得注意的是,瑞萨的光耦内部是两个场效应管,而右侧的光耦是一个三极管加一个场效应管,因此如果考虑芯片内部功耗,那肯定是场效应管的开通功耗比三极管功耗来的小。


图1:两家光耦内部对比图


除此之外,还有很多参数的优势,比如开通关断时间,瑞萨的光耦开通/关断时间都只要175ns,共模瞬态抗扰系数达到了50kv/us;而另外一家的开通关断时间均需要500ns,共模瞬态抗扰系数也只有15kv/us。


接下来笔者和大家分享一下光耦隔离驱动电路的设计方法。在做任何电路设计应遵循两个最基本的原则:先考虑需求侧,再平衡供给侧。那伺服驱动器设计来说,要先从控制对象来考虑选取适合功率的开关器件,然后再考虑功率开关的驱动器件、保护器件等。考虑需求侧电流这条线的同时还要从供给侧电压的角度考虑驱动器件、保护器件以及控制器的电源的设计。

在进行光耦选型的时候,需要考虑光耦的输出驱动能力,即Datasheet首页的最大输出电流参数,这是最主要的一个参数。还一个有比较意义的参数就是光耦的开通关断时间,一般来说,现在市面上好一些的光耦的速度都能满足高达16K的开关频率。那么光耦的输出能力要从驱动的IGBT/MOSFET的门极考虑,门极有一个参数:Qg,这个参数决定了门极的平均输出电流。Iavg = Qg*Fsw,其中,Fsw为开关频率。门极平均输出电流一般比较小。一般来说为几十至几百毫安。

另外还有一个重要的参数,叫做门极瞬态输出电流,Imax=(Vhigh -Vlow)/Rg。其中为门极串联的电阻Rg,从理论上来说,门极电阻越小,所需的门极驱动瞬时电流越大,相反,门极电阻越大,所需的门极驱动瞬时电流越小。但是,门极电阻越大,开通时间越长,因此带来的开通损耗也会增大。因此光耦能输出的最大驱动电流能够减小IGBT/MOSFET的开通关断损耗。


图2:笔者第一版的隔离驱动方案


上图是笔者设计的第一版,芯片上的丝印已擦去。在设计光耦隔离的时候,考虑到输出端需要输出2A以上的瞬时电流,因此,在第二版设计的时候已将其替换成了PS9531L3。另外,根据笔者的设计经验,光耦引脚周围最好不要覆铜,如果考虑到信号完整性,可以设计四层板,将电源和地层设计在内层。

以上就是笔者伺服驱动中的光耦应用的分享,欢迎各位一起探讨交流。


作者:坚栋


相关技术文档:

Renesas PS9531/PS9531L1/PS9531L2/PS9531L3 IGBT驱动光耦数据手册 详情>>>


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