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電力電子裝置中模擬信號(hào)隔離傳輸及其串行D/A的實(shí)現(xiàn)
摘要：探討了電力電子裝置開(kāi)關(guān)電源中模擬信號(hào)隔離傳輸?shù)囊饬x及各種實(shí)現(xiàn)手段，在全面分析比較的基礎(chǔ)上提出了串行D/A數(shù)字隔離傳送的方法，并通過(guò)在數(shù)控開(kāi)關(guān)電源中的典型運(yùn)用的分析與實(shí)驗(yàn)表明該方法可行，能夠用于電力電子裝置的精確控制。引言
在電力電子裝置中，經(jīng)常需要在兩個(gè)不同的模塊之間傳送模擬信號(hào)，并且要保證安全可靠地傳送。通常兩個(gè)不同模塊之間的電位可以相差幾百伏乃至幾千伏，比如電機(jī)控制中的隔離電樞電流和電壓傳感器，電動(dòng)機(jī)地與控制系統(tǒng)地的隔離等。特別在一些以微處理器為核心的電力電子裝置中，需要傳送代表輸出特性的參考信號(hào)，而運(yùn)行于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功率電路與控制電路往往不在同一電路板上，為了防止強(qiáng)電磁干擾串到微機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行異常，并降低EMI和工頻干擾，在信號(hào)傳送的時(shí)候需要嚴(yán)格隔離。在工業(yè)過(guò)程控制與測(cè)量系統(tǒng)中更是普遍需要用到模擬量隔離傳輸技術(shù)，如熱電偶、壓力電橋、應(yīng)變計(jì)、傳感器的數(shù)據(jù)隔離放大均是例子。因此，研究精確可靠的傳輸方案對(duì)于保證系統(tǒng)的整體性能具有重要意義。本文以數(shù)控精密高頻開(kāi)關(guān)逆變電源系統(tǒng)為例，研究了電力電子裝置中模擬信號(hào)的精確隔離傳輸?shù)姆椒ā?BR>
1 隔離傳輸方法及其比較
實(shí)現(xiàn)電氣上隔離的方法從耦合方式來(lái)看，可以分為磁耦合隔離方法、光電耦合隔離方法、電容耦合隔離方法等。
磁耦合隔離方法是最常用的耦合隔離方法。圖1所示的是AD公司生產(chǎn)的隔離放大器AD202的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，是一個(gè)典型的變壓器耦合二端隔離放大器，采用了調(diào)幅與解調(diào)技術(shù)將直流或交流信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到輸出級(jí)，輸入級(jí)內(nèi)置一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放作為信號(hào)預(yù)處理，可進(jìn)行緩沖、濾波等功能。輸出級(jí)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，濾波與放大。內(nèi)置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側(cè)的運(yùn)放、調(diào)制器或其他電路。
圖2
另外，還有三點(diǎn)隔離的變壓器耦合隔離放大器，如BB公司的3656,可以實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)和輸出級(jí)隔離，而且供電電源與放大器隔離，真正實(shí)現(xiàn)了信號(hào)和電源完全隔離。
電容耦合隔離方法是比較先進(jìn)的，采用了頻率調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)輸入電壓數(shù)字編碼和差動(dòng)電容勢(shì)壘耦合，準(zhǔn)確地隔離和傳輸模擬信號(hào)。圖2所示的是BB公司電容耦合隔離放大器ISO122的框圖，隔離放大器輸入和輸出之間通過(guò)2個(gè)1pF的隔離電容進(jìn)行信號(hào)耦合。在調(diào)制端，輸入放大器對(duì)輸入電流和一個(gè)可切換的電流源之間的差值進(jìn)行積分。假設(shè)VIN為0V，積分器將以單向的斜率上升直到超過(guò)比較器的閾值。內(nèi)部的壓控振蕩器使電流源以500kHz的頻率切換，輸出調(diào)制的數(shù)字電平以差動(dòng)形式加在勢(shì)壘電容上。同時(shí)外加隔離電壓呈共模形式。輸出端的放大器檢測(cè)出來(lái)的差動(dòng)信號(hào)作為另一個(gè)電流源到積分器A2的切換控制，信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生一個(gè)平均值等于VIN的VOUT，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾掉余下的載波噪聲之后，就成為隔離放大器的輸出。
由于采用了數(shù)字化調(diào)制手段，隔離柵的性能不會(huì)影響到模擬信號(hào)的完整性，所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。
光電耦合器是通過(guò)光信號(hào)的傳送實(shí)現(xiàn)耦合的，輸入和輸出之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，具有很強(qiáng)的隔離作用，在實(shí)際中應(yīng)用很廣泛。光電耦合器件具有非線性電流傳輸?shù)奶匦�，如果直接用于模擬量的傳輸，則線性度和精度都很差。于是很多公司相繼推出線性光耦隔離放大器，如BB公司的ISO100,利用發(fā)光二極管LED與兩個(gè)光電二極管進(jìn)行耦合，一路反饋到輸入端，一路耦合到輸出端，經(jīng)過(guò)激光調(diào)整精心匹配，線性度和穩(wěn)定度都很好。
2 開(kāi)關(guān)式隔離傳送與串行方式
針對(duì)光電耦合器能夠相當(dāng)可靠地傳遞開(kāi)關(guān)量信號(hào)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中考慮數(shù)字隔離的方法，即將模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，再采用光電耦合器進(jìn)行數(shù)字隔離。
2．1 PWM的調(diào)制及解調(diào)方式
一種開(kāi)關(guān)量隔離方式，集成PWM或微處理器輸出信號(hào)調(diào)制的PWM波形，傳送信號(hào)的瞬時(shí)電平與脈寬成正比，經(jīng)過(guò)光電隔離后對(duì)PWM信號(hào)低通濾波，恢復(fù)成模擬信號(hào)。
2．2 V/F方式
另一種A/D轉(zhuǎn)換常用方法如圖3所示。它采用電壓/頻率變換即V/F變換，設(shè)計(jì)的模擬信號(hào)隔離傳送電路如圖3所示。傳感器輸出的微弱信號(hào)放大到伏級(jí)，送入LM331構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換電路變成脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率與輸入電壓成正比；可以進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，而后經(jīng)過(guò)光電耦合器切斷前后電路電氣聯(lián)系，隔離后的脈沖信號(hào)再送入同樣由LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路得到復(fù)原的模擬電壓信號(hào)。
綜上比較各種隔離方法的傳輸特性，其性能綜合對(duì)比如表1所列。
表1各種隔離方法的傳輸性能對(duì)比
耦合方式 傳送精度 噪聲濾波 結(jié)構(gòu)復(fù)雜度 傳送距離 電平死區(qū) 變壓器耦合 中 需要 高 短 有 電容耦合 較好 需要 高 短 有 線性光電耦合 較好 不需要 中 短 有 PWM 低 需要 低 長(zhǎng) 無(wú) V/F 中 需要 中 長(zhǎng)【電力電子裝置中模擬信號(hào)隔離傳輸及其串行D/A的實(shí)現(xiàn)】相關(guān)文章：
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