Key Takeaways
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摘要
本系列文章探讨了电机驱动器从IGBT向先进SiC和GaN技术的转型，并阐明更高的PWM开关频率和更低延迟的电流测量已成为未来系统的必备要素。在此转型过程中，ADI的隔离式ADC系列扮演着重要角色，旨在提供出众的性能，主时钟频率高达50MHz，具备出色的信噪比(SNR)和增强的抗噪能力。严格的系统级分析和实验室测量表明，由此带来的创新可实现更快的扭矩响应、更高的电流测量分辨率及更平滑的运动，对数控机床(CNC)和工业机器人至关重要。隔离式ADC不仅在延迟和动态范围方面超越同类竞争解决方案，还使设计人员能够优化控制环路，最大限度减小扭矩纹波和振动。文中提供了ADC同步和建立时间的实用指南，并以230VAC电机驱动器的实测数据作为依据。
理解电机驱动器的功率与控制电子机制
在更快、更精确及高可靠运动控制系统需求的推动下，工业自动化正迈入新时代。随着制造商从传统绝缘栅双极晶体管(IGBT)电机驱动器向先进碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术转型，对速度、精度和系统稳健性的要求达到了前所未有的高度。1,2
应对上述挑战不仅需要电力电子技术创新，还需改进电机驱动架构中的电流测量与控制方式。本系列文章共三篇，将以图1所示伺服驱动架构为载体，探讨电源转换、电机电流测量和控制之间的权衡。
- 第1部分将介绍ADI公司230VAC伺服驱动器，涵盖电源设计关键要素、基于SiC的电源转换架构（变频驱动）及使用隔离式ADC的闭环反馈。
- 第2部分将深入分析ADuM7811的信噪比(SNR)及其为电机驱动系统带来的优势，包括更高精度、更平滑的运动及更小的振动。
- 第3部分将重点介绍这款器件的超低延迟特性，不仅支持更快的控制环路，而且可提升数控机床(CNC)等应用的扭矩响应速度。
基于SiC的电机驱动器
IGBT长期以来一直是工业电机驱动器的标准器件，装机量最大。由于关断损耗较高，IGBT开关频率受限（2kHz至16kHz）；这意味着除非采用多极电机，否则电机会产生明显的脉宽调制(PWM)噪声。与SiC或GaN相比，IGBT单位电流成本更低。市场报告预测，IGBT将保持个位数百分比的温和增长，1 而SiC MOSFET是增 长最快的功率开关技术。2 配合SiC使用更高PWM频率（10kHz至 100kHz），可改善电流控制带宽并降低扭矩纹波。SiC应用需要精心设计栅极驱动和电磁干扰(EMI)抑制，虽然单位千瓦成本高于IGBT，但成本正在快速下降。
SiC技术要求对运动控制系统进行全面升级，包括更快更精确的电流测量、先进的栅极驱动和EMI抑制、稳健的安全与隔离功能。此类要求对于在现代工业和自动化应用中充分发挥宽带隙半导体的性能优势至关重要。
从IGBT转向SiC/GaN意味着更高的PWM频率、更快的运动控制环路、更快（低延迟）的电流隔离测量，如图2所示。
利用ADuM7811实现闭环反馈
时延定义为ADC加sinc3滤波器的总延迟（也称为建立时间）。 ADuM7811具有极佳的低时延特性，当过采样率(OSR)=64、MCLK=50MHz 时，时延可低至5µs，如图3所示。ADI已测试了隔离式ADC的更低时延及其带来的系统优势。相关内容将在本系列第3部分中介绍。
图4和图5展示了采用Σ-Δ电流测量的磁场定向控制(FOC)环路时序示例。示例表明，若缩短电流采样时序（例如从41µs减至16µs），则可缩短电流控制环路的整体时序，从而实现更高的PWM频率。结果显示频率从16.5kHz提升至28.5kHz。上述示例本质 上较为保守（Σ-Δ测量经优化3后可覆盖100% PWM周期，并如图6 所示并行执行控制）。
即使FOC电流环路每30µs运行一次，扭矩响应仍然较慢（通常在1ms至3ms之间），因为电机机械系统（转子和负载）存在惯性，无法瞬时响应。本系列第2部分和第3部分将详细讨论此主题。
隔离式栅极驱动器与SiC
在电机驱动控制系统中采用SiC MOSFET替代IGBT具有显著优势，可实现更高的PWM频率，从而提高电流控制带宽并降低扭矩纹波。但与此同时，对栅极驱动器提出了新要求，必须审慎选型以应对SiC应用带来的挑战。下文将讨论电机驱动系统中隔离式SiC栅极驱动器应具备的基本特性，并介绍 ADuM4221，这款新型双通道隔离式栅极驱动器专为满足上述新兴需求而设计。
栅极驱动器电源
现代SiC MOSFET通常需要双极性栅源电压，导通正电平约为15V至18V，关断负电平为-3V至-4V，决定了驱动器供电级的电气要求。
传播延迟与抖动
在100kHz频段下，SiC系统对时序精度的要求空前提高，以平衡损耗与直通风险。光耦合器通常无法保证这种平衡，因为较高的延迟、抖动及老化/温漂会随时间推移降低PWM精度。ADuM4221等数字隔离式栅极驱动器传播延迟小于44ns，抖动小于10ns，可保持时序完整性，减少偏斜和漂移，实现可预测的开关动作，从而在更高频率下提供更安全可靠的运行。
共模瞬变抗扰度(CMTI)
初级侧与次级侧地电位之间的变化称为共模瞬变，会影响半桥配置中的所有隔离式栅极驱动器，并可能干扰跨隔离栅的数据传输。若隔离器无法应对此类事件，系统可能出现意外导通或关断、状态信号错误或控制通信丢失。ADuM4221（如图7所示）CMTI超过150kV/ns，能够满足SiC应用需求；在此类应用中dv/dt值常达到极高水平，通常需要CMTI额定值高于100kV/µs才能保证系统稳健无误运行。
隔离要求
在电机驱动系统中，隔离对于保护低压控制电路免受高压危害、满足安全和法规要求至关重要，同时也是为高边开关提供正确驱动电压的必要条件。图8和图9展示了典型的隔离架构。具有稳健隔离栅的栅极驱动器对电机驱动系统可靠性至关重要，既能保护低压控制电路、提供正确驱动电压，也是满足安全和法规要求（如IEC 61800-5-1）的重要组成部分。
电源设计
对于隔离系统而言，电源设计尤为重要，但在噪声、散热或PCB空间成为问题之前，往往被忽视。采用隔离式电源设计是抑制噪声、防止形成接地环路的有效手段。鉴于工业电子电源设计的固有复杂性，选择智能灵活的隔离器件可简化设计流程，避免常见错误，使设计工程师能够将精力集中于整体系统。
以LT8316 为例（如图10所示），这是一款高压无光耦隔离式反激控制器，工作电压范围为16V至560V，适用于从工业直流母线到整流市电的各种场景。这款器件通过变压器辅助绕组对输出电压采样，无需使用光耦合器。宽输入电压范围和小型封装可大幅降低设计复杂度。通过替代光耦合器（对噪声敏感）并利用LT8316的其他智能特性（如低纹波突发模式和准谐振边界模式工作），可有效降低系统噪声。
此外，许多电子电路需要多路电压轨。电机驱动器等复杂系统尤为如此，隔离要求会使问题进一步复杂化。
LT8686S,（如图11所示）是一款4通道同步降压稳压器，可在极紧凑的封装内提供高输出电流。Silent Switcher®架构可最大限度降低EMI和开关噪声，非常适合对噪声敏感的工业环境。凭借集成的电源MOSFET和简易的补偿电路，可轻松集成到系统设计中，减少外部元件数量和布局复杂度。内置热关断模式，可保护器件及周围系统免受工作时过温引起的损坏。此外，LT8686S支持高开关频率，允许使用极小电感和电容，实现了出色的电流密度与PCB面积比，非常适合高密度、空间受限的电路板。
结语
本文指出，下一代工业运动系统，尤其是采用SiC和GaN的系统，需要对检测、控制和供电电子电路进行全面重新设计。凭借超低时延、高信噪比和稳健的抗噪能力，ADuM7811隔离式ADC成为演进过程中的核心组件，助力实现更快的控制环路及更平滑精准的电机运行。
文中还强调，要充分发挥宽带隙功率器件的优势，需在隔离式栅极驱动器、高CMTI接口和低噪声电源（如LT8686S）等方面进行配套改进。上述技术共同构成了现代伺服驱动器的基石，可实现更高的PWM频率、更优的扭矩响应和更高的整体效率。
第1部分为后续文章奠定了基础，后续内容将探讨ADuM7811的信噪比优势及其对精密电机控制的影响。
参考文献
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, and Shane O’Meara. “用于电机控制电流测量的∑-∆调制优化”，《模拟对话》，第53卷，2019年10月。