电力电子装置中模拟信号隔离传输及其串行DA的实现.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：电力电子装置中模拟信号隔离传输及其串行D/A的实现摘要：探讨了电力电子装置开关电源中模拟信号隔离传输的意义及各种实现手段在全面分析比较的基础上提出了串行D/A数字隔离传送的方法并通过在数控开关电源中的典型运用的分析与实验表明该方法可行能够用于电力电子装置的精确控制。关键词：隔离传送；模拟信号；串行D/A接口引言在电力电子装置中经常需要在两个不同的模块之间传送模拟信号并且要保证安全可靠地传送。通常两个不同模块之间的电位可以相差几百伏乃至几千伏比如电机控制中的隔离电枢电流和电压传感器电动机地与控制系统地的隔离等。特别在一些以微处理器为核心的电力电子装置中需要传送代表输出特性的参考信号而运行于高频开关状态的功率电路与控制电路往往不在同一电路板上为了防止强电磁干扰串到微机系统导致系统运行异常并降低EMI和工频干扰在信号传送的时候需要严格隔离。在工业过程控制与测量系统中更是普遍需要用到模拟量隔离传输技术如热电偶、压力电桥、应变计、传感器的数据隔离放大均是例子。因此研究精确可靠的传输方案对于保证系统的整体性能具有重要意义。本文以数控精密高频开关逆变电源系统为例研究了电力电子装置中模拟信号的精确隔离传输的方法。1隔离传输方法及其比较实现电气上隔离的方法从耦合方式来看可以分为磁耦合隔离方法、光电耦合隔离方法、电容耦合隔离方法等。磁耦合隔离方法是最常用的耦合隔离方法。图1所示的是AD公司生产的隔离放大器AD202的内部结构示意图是一个典型的变压器耦合二端隔离放大器采用了调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级输入级内置一个独立的运放作为信号预处理可进行缓冲、滤波等功能。输出级是对信号进行解调滤波与放大。内置的DC/DC变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。另外还有三点隔离的变压器耦合隔离放大器如BB公司的3656可以实现输入级和输出级隔离而且供电电源与放大器隔离真正实现了信号和电源完全隔离。电容耦合隔离方法是比较先进的采用了频率调制技术通过对输入电压数字编码和差动电容势垒耦合准确地隔离和传输模拟信号。图2所示的是BB公司电容耦合隔离放大器ISO122的框图隔离放大器输入和输出之间通过2个1pF的隔离电容进行信号耦合。在调制端输入放大器对输入电流和一个可切换的电流源之间的差值进行积分。假设VIN为0V积分器将以单向的斜率上升直到超过比较器的阈值。内部的压控振荡器使电流源以500kHz的频率切换输出调制的数字电平以差动形式加在势垒电容上。同时外加隔离电压呈共模形式。输出端的放大器检测出来的差动信号作为另一个电流源到积分器A2的切换控制信号解调产生一个平均值等于VIN的VOUT经过低通滤波器滤掉余下的载波噪声之后就成为隔离放大器的输出。由于采用了数字化调制手段隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性所以有较高的可靠性和良好的频率特性。光电耦合器是通过光信号的传送实现耦合的输入和输出之间没有直接的电气联系具有很强的隔离作用在实际中应用很广泛。光电耦合器件具有非线性电流传输的特性如果直接用于模拟量的传输则线性度和精度都很差。于是很多公司相继推出线性光耦隔离放大器如BB公司的ISO100利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合一路反馈到输入端一路耦合到输出端经过激光调整精心匹配线性度和稳定度都很好。2开关式隔离传送与串行方式针对光电耦合器能够相当可靠地传递开关量信号因此在实际应用中考虑数字隔离的方法即将模拟信号通过A/D转换变成数字信号再采用光电耦合器进行数字隔离。2．1PWM的调制及解调方式一种开关量隔离方式集成PWM或微处理器输出信号调制的PWM波形传送信号的瞬时电平与脉宽成正比经过光电隔离后对PWM信号低通滤波恢复成模拟信号。2．2V/F方式另一种A/D转换常用方法如图3所示。它采用电压/频率变换即V/F变换设计的模拟信号隔离传送电路如图3所示。传感器输出的微弱信号放大到伏级送入LM331构成的V/F转换电路变成脉冲信号信号频率与输入电压成正比；可以进行长距离传输而后经过光电耦合器切断前后电路电气联系隔离后的脉冲信号再送入同样由LM331构成的F/V转换电路得到复原的模拟电压信号。综上比较各种隔离方法的传输特性其性能综合对比如表1所列。表1各种隔离方法的传输性能对比耦合方式传送精度噪声滤波结构复杂度传送距离电平死区变压器耦合中需要高短有电容耦合较好需要高短有线性光电耦合较好不需要中短有PWM低需要低长无V/F中需要中长有前面几种隔离方法都采用了集成的结构性能得以保证但是由于隔离是在芯片内部实现输入级与输出级间距很短对于信