隔離器件在工業(yè)電機驅控的應用研究

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)在環(huán)境嚴苛的工業(yè)場景中，電機驅控與隔離是密不可分的。在一個電機系統(tǒng)中，往往包含著各式各樣的隔離器件，隔離ADC、隔離柵極驅動、隔離SPI等等。雖然引入隔離不可避免地會帶來功耗、延遲、成本和尺寸上的限制，但隨著隔離技術的革新以及電機驅控系統(tǒng)向著更高開關頻率、更小死區(qū)時間方向發(fā)展，工業(yè)電機對可靠性的要求越來越高，需要越來越多的保護功能。現(xiàn)在的電機系統(tǒng)要求隔離器件能夠抵御高壓瞬變，防止數(shù)據(jù)受擾，還能消除高壓瞬變對隔離器壽命的影響。

光耦落于下風?

基于光耦的隔離是用于電機驅控最傳統(tǒng)的辦法，一度是電機系統(tǒng)最典型的隔離解決方案。光電耦合采用物理手段使高壓電路系統(tǒng)與鄰近的低壓系統(tǒng)分離，從而隔離無用信號。光耦的內部絕緣層很厚，可以承受高壓，這是光耦一直很突出的性能。但光耦的缺點同樣明顯，那就是需要使用發(fā)光二極管。

其光強度，不可避免地會隨著時間推移和溫度變化而降低，導致時序性隨時間與溫度漂移。這不僅會影響性能，也會使器件的設計極度復雜化。另一方面，基于光耦的隔離在保持良好的CMTI和拓展上時常陷入兩難境地。如果要克服數(shù)據(jù)速率受限的問題，就必須在光耦的寄生電容上下手，但如此一來功耗一定會升高，而且會大大降低光耦的共模瞬變抗擾度。

即便是Broadcom這種在光耦技術上遙遙領先的廠商，在數(shù)字隔離器上也會選擇磁耦來做?；诠怦畹母綦x器，Broadcom領先的共模瞬變抗擾度行業(yè)指標在50 kV/μs，這已經屬于光耦技術下很高的CMTI。在CMTI不如磁耦和容耦的情況下，光耦隔離必須另辟蹊徑來止住頹勢。有些光耦采用獨特的擴散結制造，以低驅動電流提供快前沿和降落時間，用于提高電路回路隔離上的共模抑制。

(圖源：Broadcom)

由于光耦在高壓工業(yè)控制環(huán)境上有厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢，雖然基于該技術的隔離已逐漸落于下風，但在電機控制信號頻率較高的高壓場景還是有著穩(wěn)定的應用(低于16 kHz的電機控制信號頻率會對光耦產生極大干擾)。

全面發(fā)展的容耦欠缺什么

作為替代光耦的方案，容耦和磁耦有很多相似之處，但又沒有磁耦那么突出，處于不溫不火的位置上。作為三種技術中內部絕緣厚度最小的技術，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm。

在惡劣的電機應用環(huán)境中，對于擾亂電機控制的電壓瞬變，我們不能只看隔離器件的CMTI典型值，應該看其最小的CMTI。光耦的最小CMTI在10 kV/μs左右，容耦的最小CMTI在60 kV/μs左右，磁耦在75kV/μs左右。容耦在抗擾度和傳輸速率上并沒有落下磁耦多少，但是在浪涌保護上卻力有不逮。

電機控制應用中可能出現(xiàn)高壓瞬變或浪涌，這類浪涌的峰值可能超過10000 V，而上升時間僅有1.2 μs。光耦是通過極厚的內部絕緣層來實現(xiàn)高壓浪涌保護的，對于采用二氧化硅的容耦隔離器件，為使內部應力不致引起裂縫，可制成的絕緣厚度是有限制的。它又無法像磁耦用聚酰亞胺在有限的厚度下做到極致的魯棒性，因此這意味著容耦的浪涌保護能力會比較有限。

改善延遲時序的磁耦應用

基于磁耦的隔離CMTI性能明顯是優(yōu)于光耦的，這一類隔離基于標準的CMOS技術，在功耗和速度上也有不小的提升。功耗和CMTI是大家選擇隔離器件時最先關注的指標，當然這是很重要的，但是常常被忽視的還有一個性能，那就是隔離器件的傳輸延遲。

作為衡量驅動信號跨過隔離柵的指標，傳輸延遲會根據(jù)隔離技術的不同呈現(xiàn)很大的差異。傳輸延遲是電機控制系統(tǒng)中極為重要的特性，更小的傳輸延遲能減少柵極驅動設計的限制，尤其在時序裕量上給予了系統(tǒng)更多靈活性。

基于光耦和磁耦的柵極驅動延遲對比如下圖，數(shù)據(jù)取自一流隔離柵極驅動器的最大延遲。

不難看出磁耦能夠更快速地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。而且電機另一個極為重要的設置——死區(qū)時間，同樣會受到傳輸延遲的影響。MOSFET/IGBT的開關延遲是影響電機死區(qū)時間長度的不和隔離傳輸延遲相關的因素，剩下的都會受到傳輸延遲失配影響。

在越來越高功率的電機應用中，電機阻抗變低，如果傳輸延遲和偏差無法控制得很小，那么電機電流失真扭矩紋波增加會對電機造成極為不利的影響。在高CMTI之外，隔離器件通過改善傳輸延遲，賦予了電機應用更靈活更可靠的設計。

小結

工業(yè)電機驅控的發(fā)展向著更高的開關頻率，更小的死區(qū)時間，更快的開關速度發(fā)展，同時對可靠性要求更高，需要越來越多的保護功能。在注重隔離器件抗擾度和功耗的同時，應當多關注隔離器件在延遲縮短，死區(qū)時間縮短上的性能，這對于增強系統(tǒng)可靠性與安全性同樣重要。

原文標題：隔離器件與電機控制二三事

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審核編輯：湯梓紅