在需要精确控制电机速度与效率的工业领域，现代电气驱动装置普遍采用变频驱动和脉宽调制技术。PWM技术通过调节方波信号中脉冲的宽度来控制输送到电气设备的功率。虽然PWM提供了精确的控制和高效的电源管理，但其实现方式会显著影响电气驱动中电压随时间的变化率。PWM影响dv/dt的主要机制是通过引入快速的电压跃变，从而导致更高的峰值电压水平。

随着电缆长度增加，电缆的电感和电容特性使其阻抗也随之增加。阻抗的增加导致电机端子处出现更高的电压尖峰和dv/dt。长电缆引起的高dv/dt水平会对电机绕组的绝缘造成压力，并引发电磁干扰。高dv/dt会导致局部放电、绝缘老化和绝缘失效，从而影响电机系统的可靠性和安全性。为了缓解这些影响，通常采取使用屏蔽电缆和无源滤波器等多种措施。

图1

电缆长度对电机寿命的影响

VSD与电机之间电缆的长度对电机系统的性能和可靠性起着重要作用。图2估算了随着电缆长度增加，相对于总线电压的过电压尖峰情况。以1200V/600A IGBT模块为例，典型的总线电压为600V，允许的过电压不超过1200V的绝对最大额定值。该600A IGBT模块的开关时间约为100ns。基于此开关时间以及图2数据，在过电压超过1200V(即总线电压的2倍)之前，最大允许的电缆长度约为70英尺。

图2

图3展示了基于电缆长度估算的电机绕组绝缘寿命。使用相同的1200V/600A IGBT模块(开关时间100ns)示例。在过电压超过总线电压2倍之前，电缆长度可以在10英尺到70英尺之间变化。这相当于60,000小时或6.8年的电机绕组绝缘寿命。

图3

长电缆会影响过电压尖峰并缩短电机绕组绝缘的寿命。然而，在工厂环境中，VSD与电机之间不可避免地需要长电缆连接。因此，通过将PWM的dv/dt控制在可接受的水平来缓解这些影响至关重要。

VSD容许电压与EMI标准

IEC和NEMA标准为图4中不同类型的电机提供了容许电压的指导原则。对于美国的NEMA标准，如果我们采用最快的上升时间200ns，则允许的dv/dt范围为6至9 kV/µs。对于欧洲广泛采用的国际IEC标准，最快的上升时间100ns将推导出允许的dv/dt范围为10至20 kV/µs。加上余量，VSD需要将PWM dv/dt控制在4至15 kV/µs的范围内，以防止过电压超过标准限制。

图4

电磁干扰对于在更高频率下运行且IGBT开关更快的VSD来说也是一个日益严重的问题。更高的dv/dt会对附近的其他工业设备产生更多的EMI信号误差。CISPR 11是针对工业、科学和医疗ISM设备的EMI骚扰国际产品标准。VSD被归类在CISPR 11中适用于工业设备的A类第1组。图5显示了工业电机驱动器的传导EMI发射限值。因此，控制dv/dt以使EMI保持在标准限值内同样至关重要。

图5

限制高dV/dt

缓解dv/dt的一种常用技术是在VSD和电缆之间安装无源dv/dt滤波器。该滤波器由无源元件组成：电感器、电容器和电阻器。无源滤波器的缺点是存在功率损耗、滤波器体积大以及成本较高。

图6

另一方面，压摆率控制栅极驱动器提供了一种简单、小巧且经济高效的dv/dt滤波器替代方案。基于IGBT电流反馈环路，栅极驱动器将通过栅极电阻动态控制其电流。通过改变栅极电阻，可以控制VSD的dv/dt，使其不超过先前讨论的耐受电压或EMI限值。本文将讨论如何利用新型Broadcom®栅极驱动光耦ACFJ-3405来控制dv/dt。

压摆率控制栅极驱动光耦

ACFJ-3405[5]是一款12A栅极驱动光耦，具有两种可选输出驱动模式，以优化IGBT开关的压摆率。它还具备IGBT去饱和故障、IGBT栅极故障和系统电源故障监控、关断和反馈功能，有助于满足VSD电机驱动功能安全标准。

图7

ACFJ-3405采用紧凑型、表面贴装的400 V CTI SO-24封装。这款功能全面、易于实现的智能栅极驱动器通过了认证，可提供满足IEC/EN/DIN和UL/cUL安全法规要求的加强型电气隔离。

图8显示了压摆率控制栅极驱动器的典型应用图。SRC栅极驱动光耦接收来自微控制器的PWM和SRC信号。然后，PWM信号通过栅极驱动器的隔离屏障进行传输。随后，SRC信号将选择输出VOP1或同时选择VOP1和VOP2，PWM信号将通过选定的输出发送到IGBT的栅极。微控制器根据IGBT或负载电流的反馈来决定采用何种SRC电平模式。

图8

图9将IGBT电流IC映射到所需的栅极电流，以保持dv/dt低于5 kV/µs的允许值。例如，在低IGBT电流(40 A)时，栅极驱动器将提供较低的输出电流IOP1，使IGBT压摆率保持在2.5 kV/µs。另一方面，在没有压摆率控制的设计中，高的栅极电流可能导致dv/dt在40 A时超过6 kV/µs的允许限值。

当IGBT在较高电流(例如120 A)下开关时，栅极驱动器将提供更高的栅极电流(IOP1 + IOP2)，以便IGBT以更高的压摆率开关，但仍保持在允许的目标范围内。然而，这样做虽然dv/dt会更高，但经过优化(见绿色虚线)，以降低开关损耗。

图9

SRC栅极驱动器的有效性

SRC栅极驱动器的有效性在60 kW VSD上得到了验证，该VSD使用了1200 V/200 A IGBT模块，电缆长度为100米。允许的dv/dt设定为4 kV/µs。栅极驱动器设定为当IGBT电流增加到90 A时，从较低的栅极电流(IOP1)切换到较高的栅极电流(IOP1 + IOP2)。图10中以绿色线表示的结果显示了采用SRC时从0到140 A的dv/dt曲线。红色线表示未采用SRC时的dv/dt曲线。

图10

尽管绿色和红色的dv/dt曲线都在允许的dv/dt范围内，但采用SRC的方案将具有更低的开关损耗，如图10的第二张图所示。在90 A时，SRC将以更高的dv/dt开关IGBT，有助于降低导通能量。比较EON线，采用SRC的绿色EON线低了5 mJ，这意味着更低的整体功率损耗和更高的效率。

使用相同的60 kW逆变器和100米电缆设置，根据CISPR 11标准测量了采用和不采用SRC时的传导发射情况。图11的第一张图显示，当IGBT在没有SRC控制的高dv/dt下开关时，EMI超过了传导发射准峰值标准。第二张图显示，通过SRC控制，优化后的EMI未超过准峰值限值。

图11

总结与结论

本文阐述了PWM技术的优势及其因dv/dt产生的副作用。VSD与电机之间的长电缆会放大dv/dt，导致EMI和过电压，从而缩短电机寿命。文章利用VSD容许电压标准来估算不同VSD操作中允许的dv/dt水平。在定义了允许的dv/dt之后，文章比较了SRC栅极驱动器相较于传统的无源dv/dt滤波器解决方案的优越性。这些优势通过在一台配备100米电缆的60 kW VSD中使用SRC驱动器ACFJ-3405得到了验证。测量结果表明，dv/dt被保持在4 kV/µs的允许水平以下，同时实现了更低的开关损耗，并且EMI在CISPR 11标准下得到了更好的控制。