在工业应用的电力驱动电机中引入控制电路好处多多，包括大大降低能耗以及提高生产力。然而，这会导致复杂性增加，因此在设计过程中需要考虑更多变量。在 Analog Devices 的这篇文章中，您将了解如何保护变速驱动器的电源以及如何获得下游电源轨。
变速驱动器 (VSD) 需要特定的上游电路设计，以提供主控制电源和逆变器电子元件的电源，即本系列上一篇博客中的栅极驱动器和电流检测电路。这些在图 1 中采用图形形式突出显示，展示了典型 VSD 架构的概貌。
图 1：详细的变速驱动器架构
本博客将讨论图 1 中突出显示的 VSD 块中两个更重要的电源主题：
- 保护主控制电源
- 衍生下游低压负载点 (POL) 电源轨
控制电源保护
在 VSD 中，保护主控制电源（通常为 24 V）免受瞬态和异常情况的影响极为重要。原因在于，该电源轨通常有两条路径。第一条路径是上一篇博客中所述的路径，其中 24 V 控制电源通过隔离电源转换级，从交流主电源或高压直流母线获得。不过，该 24 V 电源轨通常也可直接由连接至 VSD 的辅助电源输入供电。大多数自动化环境都会在控制柜周围为一系列控制设备分配 24 V 电源，而 VSD 通常会接入该电源。辅助 24 V 输入通常与转换器产生的 24 V 电源进行二极管 OR 运算，以确保同一时间只有一个电源处于工作状态。
这样做的好处是，即使交流主电源断电或跳闸，辅助 24 V 电源通常也会继续运行，这意味着 VSD 的控制电子元件可以保持通电状态，从而能够快速重启 VSD，并且不会丢失任何环境信息。缺点是 VSD 电源现在会受到工厂范围内 24 V 供电系统中存在的所有瞬态电压的影响。这些瞬态电压的产生可能包括开关负载激发配电电缆上的电压振铃、通过系统传播的雷击事件、附近电场或人体接触产生的静电放电，以及电缆上的电磁干扰。因此，需要对该辅助电源输入进行稳固保护。
VSD 功能安全标准 IEC 61800-5-2 附录 A（B.3.2 节）显示了针对此类 24 VDC 电压轨推荐的电源 (PS) 和电压监控器 (VM) 子系统。它包括针对各种常见故障（如极性反接、过流和瞬态电压）的保护。
图 2：根据 IEC 61800-5-2 推荐的辅助电源保护
由于所涉及的瞬态在能量水平和持续时间方面各不相同，因此设计分立电路既费时又容易出错，而且长期可靠性可能较差。Analog Devices 浪涌抑制器系列等集成解决方案集成了所有 IEC 61800 要求，包括输入反极性检测和保护、过流、短路和浪涌电流检测与保护以及高压瞬态断开。
图 3：Analog Devices 浪涌抑制器对 IEC 61800-5-2 的实施
图 3 显示了使用 Analog Devices 的浪涌抑制器解决方案作为 IEC61800-5-2 保护建议的潜在实施方案。LT4363 或集成 MOSFET 变体 LTC4381 等元件可为主控制电源提供稳健、可靠的保护解决方案。
低压负载点 (POL) 电源
主控电源的下游是低压 (<12 v)="" 电源轨。这些电源基本上都是负载点="" (pol)="" 电源，直接为主要控制器设备（cpu、fpga）、其他数字元件（存储器、收发器、接口）、模拟电路（adc、dac、运算放大器等）以及="" i/o="" 设备和终端供电。这些电源架构的具体设计因="" vsd="" 而异，很难一概而论，但这些电源的典型设计方法如图="" 4="" 和图="" 5="" 所示。在图="" 4="" 中，一些关键的低电压轨采用了单级开关式稳压器，而对于噪声敏感的模拟轨或较低电压下的极低电流轨，则增加了下游低压差="" (ldo)="">
图 4：单级开关方法
在图 5 中，先产生一个中间电源轨（本例中为 5 V），然后根据 POL 器件的需要进一步降压至单个电源轨。图中还显示了启动时序或电源轨跟踪的潜在需求，这在许多 VSD 使用的复杂多控制器系统中非常重要。
图 5：多级开关方法
POL 电源架构设计非常复杂，涉及诸多与整体效率、成本、空间和噪声有关的权衡考虑。Analog Devices 的 LTpowerCAD、LTpowerPlanner 和 LTSPICE 等工具可以大大减轻设计挑战。
结语
本博客阐述了有关 VSD 内电源的主题，强调了主控制电源保护电路的重要性，并触及了与 POL 低压电源设计相关的挑战。