利用隔離式ADC實現卓越的運動控制——第1部分：高頻PWM控制

摘要

本系列文章探討了馬達驅動器從IGBT向先進SiC和GaN技術的轉型，並說明更高的PWM開關頻率和更低延遲的電流測量已成為未來系統的必備要素。在此轉型過程中，ADI的隔離式ADC系列扮演著重要角色，目的在提供出眾的性能，主時脈頻率高達50MHz，具備卓越的訊號雜訊比(SNR)和增強的抗雜訊能力。嚴格的系統級分析和實驗室測量顯示，由此帶來的創新可實現更快的轉矩響應、更高的電流測量解析度及更平滑的運動，對數控機床(CNC)和工業機器人特別重要。隔離式ADC不僅在延遲和動態範圍方面超越同類競爭解決方案，還使設計人員能夠優化控制迴路，大幅減小轉矩漣波和振動。文中提供了ADC同步和建立時間的實用指南，並以230VAC馬達驅動器的實測資料作為依據。

理解馬達驅動器的功率與控制電子機制

在更快、更精準及高可靠運動控制系統需求的推動下，工業自動化正邁入新時代。隨著製造商從傳統絕緣閘雙極電晶體(IGBT)馬達驅動器向先進碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)技術轉型，對速度、精度和系統穩健性的要求達到了前所未有的高度。^1,2

因應上述挑戰不僅需要電力電子技術創新，還需改進馬達驅動架構中的電流測量與控制方式。本系列文章共三篇，將以圖1所示伺服驅動架構為載體，探討電源轉換、馬達電流測量和控制之間的權衡。

• 第1部分將介紹ADI 230VAC伺服驅動器，涵蓋電源設計關鍵要素、基於SiC的電源轉換架構（變頻驅動）及使用隔離式ADC的閉迴路回饋。
• 第2部分將深入分析ADuM7811的訊號雜訊比(SNR)及其為馬達驅動系統帶來的優勢，包括更高精度、更平滑的運動及更小的振動。
• 第3部分將重點介紹此款元件的超低延遲特性，不僅支援更快的控制迴路，而且可提升數控機床(CNC)等應用的轉矩響應速度。

基於SiC的馬達驅動器

IGBT長期以來一直是工業馬達驅動器的標準元件，其裝機量也最大。由於關斷損耗較高，IGBT開關頻率受限（2kHz至16kHz）；這表示除非採用多極馬達，否則馬達會產生明顯的脈寬調變(PWM)雜訊。相較於SiC或GaN，IGBT單位電流成本更低。市場報告預測，IGBT將保持個位數百分比的溫和成長，¹ 而SiC MOSFET是成長最快的功率開關技術。2 配合SiC使用更高PWM頻率（10kHz至100kHz），可改善電流控制頻寬並降低轉矩漣波。SiC應用需要精心設計閘極驅動和電磁干擾(EMI)抑制，雖然單位千瓦成本高於IGBT，但成本正在快速下降。

SiC技術要求對運動控制系統進行全面升級，包括更快更精準的電流測量、先進的閘極驅動和EMI抑制、穩健的安全與隔離功能。此類要求對於在現代工業和自動化應用中充分發揮寬頻隙半導體的性能優勢非常重要。

從IGBT轉向SiC/GaN表示更高的PWM頻率、更快的運動控制迴路、更快（低延遲）的電流隔離測量，如圖2所示。

利用ADuM7811實現閉迴路回饋

延遲定義為ADC加sinc3濾波器的總延遲（也稱為建立時間）。ADuM7811具有極佳的低延遲特性，當過取樣速率(OSR)=64、MCLK=50MHz時，時延可低至5µs，如圖3所示。ADI已測試了隔離式ADC的更低時延及其帶來的系統優勢。相關內容將在本系列第3部分中介紹。

圖4和圖5展示了採用Σ-Δ電流測量的磁場定向控制(FOC)迴路時序範例。範例顯示，若縮短電流取樣時序（例如從41µs減至16µs），則可縮短電流控制迴路的整體時序，進而實現更高的PWM頻率。結果顯示頻率從16.5kHz提升至28.5kHz。上述示例本質上較為保守（Σ-Δ測量經優化3後可覆蓋100% PWM週期，並如圖6所示並存執行控制）。

即使FOC電流迴路每30µs運行一次，轉矩響應仍然較慢（通常在1ms至3ms之間），因為馬達機械系統（轉子和負載）存在慣性，無法暫態響應。本系列第2部分和第3部分將詳細討論此主題。

隔離式閘極驅動器與SiC

在馬達驅動控制系統中採用SiC MOSFET替代IGBT具有顯著優勢，可實現更高的PWM頻率，進而提高電流控制頻寬並降低轉矩漣波。但與此同時，也對閘極驅動器提出了新要求，必須審慎選型以因應SiC應用帶來的挑戰。下文將討論馬達驅動系統中隔離式SiC閘極驅動器應具備的基本特性，並介紹ADuM4221 ，這款新型雙通道隔離式閘極驅動器專為滿足上述新興需求而設計。

閘極驅動器電源

現代SiC MOSFET通常需要雙極性閘源電壓，導通正位準約為15V至18V，關斷負位準為-3V至-4V，決定了驅動器供電級的電氣要求。

傳播延遲與抖動

在100kHz頻段下，SiC系統對時序精度的要求空前提高，以平衡損耗與直通風險。光耦合器通常無法保證這種平衡，因為較高的延遲、抖動及老化/溫漂會隨時間推移降低PWM精度。ADuM4221等數位隔離式閘極驅動器傳播延遲小於44ns，抖動小於10ns，可保持時序完整性，減少偏斜和漂移，實現可預測的開關動作，進而在更高頻率下提供更安全可靠的運行。

共模瞬變抗擾度(CMTI)

一次側與二次側地電位之間的變化稱為共模瞬變，會影響半橋配置中的所有隔離式閘極驅動器，並可能干擾跨隔離閘的資料傳輸。若隔離器無法因應此類事件，系統可能出現意外導通或關斷、狀態訊號錯誤或控制通訊丟失。ADuM4221（如圖7所示）CMTI超過150kV/ns，能夠滿足SiC應用需求；在此類應用中dv/dt值常達到極高水準，通常需要CMTI額定值高於100kV/µs才能保證系統穩健無誤運行。

隔離要求

在馬達驅動系統中，隔離對於保護低壓控制電路免受高壓危害、滿足安全和法規要求十分重要，同時也是為高側開關提供正確驅動電壓的必要條件。圖8和圖9展示了典型的隔離架構。具有穩健隔離閘的閘極驅動器對馬達驅動系統可靠性特別重要，既能保護低壓控制電路、提供正確驅動電壓，也是滿足安全和法規要求（如IEC 61800-5-1）的重要組成部分。

電源設計

對於隔離系統而言，電源設計尤為重要，但在雜訊、散熱或PCB空間成為問題之前，這往往被忽視。採用隔離式電源設計是抑制雜訊、防止形成接地迴路的有效手段。有鑑於於工業電子電源設計的固有複雜性，選擇智慧彈性的隔離元件可簡化設計流程，避免常見錯誤，使設計工程師能夠將精力集中於整體系統。

以LT8316為例（如圖10所示），這是一款高壓無光耦隔離式反馳控制器，工作電壓範圍為16V至560V，適用於從工業直流母線到整流市電的各種場景。這款元件透過變壓器輔助繞組對輸出電壓取樣，無需使用光耦合器。寬廣輸入電壓範圍和小型封裝可大幅降低設計複雜度。透過替代光耦合器（對雜訊敏感）並利用LT8316的其他智慧特性（如低漣波高載模式和準諧振臨界模式工作），可有效降低系統雜訊。

此外，許多電子電路需要多路電壓軌。馬達驅動器等複雜系統尤為如此，隔離要求會使問題進一步複雜化。

LT8686S（如圖11所示）是一款4通道同步降壓穩壓器，可在極精巧的封裝內提供高輸出電流。Silent Switcher®架構可大幅降低EMI和開關雜訊，非常適合對雜訊敏感的工業環境。憑藉整合的電源MOSFET和簡易的補償電路，可輕鬆整合到系統設計中，減少外部元件數量和佈局複雜度。內建熱關斷模式，可保護元件及周圍系統免受工作時過溫引起的損壞。此外，LT8686S支援高開關頻率，允許使用極小電感和電容，實現了卓越的電流密度與PCB面積比，非常適合高密度、空間受限的電路板。

結論

本文指出，下一代工業運動系統，尤其是採用SiC和GaN的系統，需要對感測、控制和供電電子電路進行全面重新設計。憑藉超低延遲、高訊號雜訊比和穩健的抗噪能力，ADuM7811隔離式ADC成為演進過程中的核心組件，促進實現更快的控制迴路及更平滑精準的馬達運行。

文中還強調，要充分發揮寬頻隙功率元件的優勢，需在隔離式閘極驅動器、高CMTI介面和低雜訊電源（如LT8686S）等層面進行配套改進。上述技術共同構成了現代伺服驅動器的基礎，可實現更高的PWM頻率、更優的轉矩響應和更高的整體效率。

第1部分為後續文章奠定了基礎，後續內容將探討ADuM7811的訊號雜訊比優勢及其對精密馬達控制的影響。

參考資料

¹"Insulated Gate Bipolar Transistors Market Size & Share Analysis—Growth Trends and Forecast (2026–2031)”，Mordor Intelligence。

²"Silicon Carbide Power Semiconductor Market Size & Share Analysis—Growth Trends and Forecast (2026–2031)”，Mordor Intelligence。

³Jens Sorensen、Dara O’Sullivan、Shane O’Meara，「“用於馬達控制電流測量的∑-∆調變優化」，《類比對話》，第53卷，2019年10月。