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；模拟信号绕行电感器；串行D/A接口

0 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电感厂家伏，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。

图1 AD202内部结构图

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公司电电感线圈厂容耦合隔离放大器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V_IN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V_IN的V_OUT，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。

图2 ISO122内部结构

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，线性度平面变压器厂家 | 平面电感厂家

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