圖6. 實測電機電流：(左)500 ns死區時間；(右)1μs死區時間

ADuM4223柵極驅動器的傳輸延遲失配為12 ns，因此可以使用IGBT開關所需的絕對最短死區時間。對于IR IGBT，最短死區時間可設置為500 ns。從左圖可看出，這種情況下的電壓失真極小。同樣，相電流也是很好的正弦波，因此扭矩紋波極小。右圖顯示死區時間提高到1 μs時的線電壓和相電流。此值更能代表光耦合柵極驅動器的需求，因為其傳播延遲失配和漂移更大。電壓和電流的失真均有明顯增加。這種情況使用的感應電機是相對較小的高阻抗電機。在更高功率的終端應用中，感應電機阻抗通常要低得多，導致電機電流失真和扭矩紋波增加。扭矩紋波在很多應用中都會產生有害影響，例如：電梯乘坐舒適度下降或機械系統中的軸承/聯軸器磨損。

過流關斷

現代柵極驅動器的另一個重要問題是處理器發出的關斷命令能以多快的速度在IGBT上實現。這對于以下情況中的過流關斷很重要：過流檢測不是柵極驅動器本身的一部分，而是作為檢測與濾波電路的一部分加以實現。這方面的另一個壓力是更高效率IGBT的短路耐受時間縮短。對此，IGBT技術的趨勢是從業界標準10μs縮短到5 μs甚至更短。如圖7所示，過流檢測電路通常需要數微秒時間來鎖存故障；為了順應總體發展趨勢，必須采取措施來縮短這一檢測時間。該路徑中的另一主要因素是從處理器/FPGA輸出到IGBT柵極(柵極驅動器)的傳播延遲。同樣，磁隔離器相對于光學器件有明顯優勢，原因是前者的傳播延遲值非常小，通常在50 ns左右，不再是影響因素。相比之下，光耦合器的傳播延遲在500 ns左右，占到總時序預算的很大一部分。

圖7. 故障關斷時序

電機控制應用的柵極驅動器關斷時序如圖8所示，其中處理器的關斷命令跟在IGBT柵極發射極信號之后。從關斷信號開始到IGBT柵極驅動信號接近0的總延遲僅有72 ns。

圖8. 過流關斷柵極驅動器時序

小結

隨著人們更加關注系統性能、效率和安全，電機控制架構師在設計穩健系統時面臨著日益復雜的挑戰。基于光耦合器的柵極驅動器是傳統選擇，但基于變壓器的解決方案不僅在功耗、速度、時間穩定性上更具優勢，而且如本文所述，由于信號延遲縮短，其在系統性能和安全方面也有明顯優勢。這使得設計人員可以在防止上橋和下橋開關同時接通的同時，有把握地縮短死區時間，改善系統性能。此外，它還支持對系統命令和錯誤作出更快速的響應，這同樣能增強系統可靠性并提高安全性。鑒于這些優勢，基于變壓器的隔離式柵極驅動器已成為電機控制系統設計的一個主要選擇；強烈建議系統設計人員在設計下一個項目時，把器件延遲作為一項重要要求。