在電機(jī)驅(qū)動器的惡劣環(huán)境中使用堅(jiān)固的數(shù)字隔離器

在電機(jī)應(yīng)用的惡劣環(huán)境中，需要堅(jiān)固的數(shù)字隔離器。這些非常困難的環(huán)境要求對高壓瞬變的抗擾度，這些瞬變會導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂，以及高壓電應(yīng)力對隔離器隔離壽命的影響。在這些應(yīng)用中，典型的隔離解決方案是光耦合器，由于其厚厚的內(nèi)部絕緣層，其可承受高電壓。光耦合器的缺點(diǎn)是它們使用的發(fā)光二極管（LED）會隨著時間的推移而失去光強(qiáng)度并隨溫度變化，從而產(chǎn)生設(shè)計和可靠性問題。有新的、更強(qiáng)大的數(shù)字隔離器，無需使用 LED及其可靠性問題，并具有改進(jìn)的絕緣能力，以與光耦合器競爭。這些數(shù)字隔離器具有提高對高壓瞬變的抗擾度的優(yōu)點(diǎn)，這是電機(jī)控制應(yīng)用的要求。本文將詳細(xì)介紹這些新型數(shù)字隔離器的工作原理，以及它們的高級功能在這些應(yīng)用中如何優(yōu)于光耦合器。

應(yīng)用

電機(jī)驅(qū)動器有一系列系統(tǒng)設(shè)計，具體取決于應(yīng)用的性能和功率水平，以及 特定的控制和隔離方案。圖1顯示了通常用于逆變器或低端電機(jī)的隔離通信框圖 驅(qū)動器。在該系統(tǒng)中，控制器位于與功率級相同的電位上，通信接口被隔離，因?yàn)檫@通常是一個速度較低且更簡單的接口。在這些系統(tǒng)中，電源逆變器可能具有不需要隔離的低側(cè)柵極驅(qū)動器，因?yàn)樗鼈兣c電機(jī)控制塊共享同一接地。高端驅(qū)動器可以隔離，但也可以使用電平轉(zhuǎn)換等技術(shù)，特別是在電源逆變器電壓電平不太高的情況下。在此框圖中，電機(jī)控制器直接連接到逆變器反饋，無需使用隔離。這種架構(gòu)在更高的功率水平下使用時有局限性。電機(jī)開關(guān)信號產(chǎn)生的額外噪聲可能會壓倒用于監(jiān)控電機(jī)電流的反饋信號，并可能導(dǎo)致電機(jī)失控。

對于更高性能的驅(qū)動器，例如，工業(yè)電機(jī)中使用的大型多相驅(qū)動器和火車中使用的牽引電機(jī) - 隔離 需要控制和通信，如圖2所示。在此系統(tǒng)框圖中，出于抗噪性和更高通信速度的原因，控制和通信一起位于隔離柵的安全側(cè)。既然電機(jī)控制塊位于隔離柵的安全側(cè)，那么所有柵極驅(qū)動器都需要隔離。具體的隔離電壓和安全要求由詳細(xì)的架構(gòu)和隔離柵位置決定。在框圖中，逆變器反饋用于幫助控制電機(jī)驅(qū)動，是電機(jī)控制中最關(guān)鍵的領(lǐng)域之一。逆變器反饋如圖所示，連接到電流測量節(jié)點(diǎn)iV和我W在兩相三相交流電動機(jī)中。在隔離控制和通信系統(tǒng)圖中，逆變器反饋必須跨越隔離連接 障礙;因此，這里也需要隔離。在許多高功率電動機(jī)應(yīng)用中，該架構(gòu)需要加強(qiáng)與三相電動機(jī)高壓的隔離，以保護(hù)用戶免受高壓影響。這些增強(qiáng)型應(yīng)用具有最大的隔離電壓要求，可能需要隔離器 根據(jù)材料的不同，具有更大的內(nèi)部絕緣厚度。

絕緣

隔離器的絕緣能力是其在其工作壽命內(nèi)承受高電壓的能力。各種隔離材料類型將 在環(huán)境條件、電壓瞬變和電壓波形下具有不同的功能。光耦合器一直是傳統(tǒng)的 高壓隔離器由于其厚絕緣、高耐壓能力和數(shù)十年的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。光耦合器使用塑料 成型作為絕緣層，工藝中可包括絕緣層中的空隙，引起局部放電，并導(dǎo)致絕緣失效。 因此，絕緣高壓測試的機(jī)構(gòu)認(rèn)證要求將包括局部放電測試。與光耦合器不同，數(shù)字隔離器使用在定義明確且高度受控的半導(dǎo)體制造工藝中產(chǎn)生的絕緣內(nèi)層作為其初級隔離柵。這消除了絕緣中的空隙，使絕緣結(jié)構(gòu)更簡單、更堅(jiān)固。數(shù)字隔離器消除了LED的使用及其可靠性問題，并且通過工藝改進(jìn)使其更加堅(jiān)固，以增加絕緣層厚度和成分。一些數(shù)字隔離器使用薄層中的二氧化硅來產(chǎn)生具有高介電強(qiáng)度的絕緣層，該絕緣層已被廣泛用作半導(dǎo)體芯片上的絕緣體。二氧化硅絕緣的缺點(diǎn)是它是IC的組成部分，IC的損壞會損壞隔離。二氧化硅的這種局限性可以通過使用聚酰亞胺絕緣來解決，聚酰亞胺絕緣是一種半導(dǎo)體工藝，幾十年來一直用于幫助提供集成電路的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。聚酰亞胺內(nèi)部絕緣是一個后處理，具有獨(dú)立的完整性。如果IC損壞，獨(dú)立的聚酰亞胺絕緣將保持完整。當(dāng)多層制造時，聚酰亞胺可用作增強(qiáng)絕緣材料，這在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中可能需要。使用數(shù)字隔離器的工程師需要制造商提供的壽命數(shù)據(jù)，以顯示器件隨時間、溫度、濕度和電壓的變化情況，以應(yīng)對更換光耦合器的挑戰(zhàn)。

圖1.隔離通信電機(jī)控制框圖。

圖2.隔離控制和通信電機(jī)控制框圖。

環(huán)境

電機(jī)控制應(yīng)用的環(huán)境條件可能具有較大的極端溫度和濕度?；疖嚑恳姍C(jī)的例子可以說明其中的一些極端情況，在這種情況下，機(jī)車發(fā)動機(jī)可能在寒冷的冬日將一列滿載的汽車?yán)仙杰?。環(huán)境溫度可能低于-40°C，電動機(jī)可能暴露在外部空氣中，但隨后火車可能會進(jìn)入長隧道，并且電動機(jī)和發(fā)動機(jī)周圍的溫度可能會由于發(fā)動機(jī)的熱量而迅速升高。電機(jī)及其絕緣體需要能夠在這些極端溫度下運(yùn)行，并且不會隨著時間的推移和溫度產(chǎn)生不利影響。光耦合器以其隨溫度下降的性能變化而聞名，內(nèi)部LED產(chǎn)生的光較少，而檢波器隨時間和溫度變化獲得的輸出信號較少。當(dāng)用作多通道隔離器時，光耦合器的通道失配會隨著時間的推移而增加。相比之下，數(shù)字隔離器不依賴于檢測來自內(nèi)部LED的信號，而是使用半導(dǎo)體IC工藝作為可靠的電路，以跨越隔離柵發(fā)送和接收數(shù)字信號。

數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)的技術(shù)如圖3所示。數(shù)字隔離器響應(yīng)輸入邏輯電平或邏輯脈沖，具體取決于架構(gòu)。有不同的方法可用于編碼和解碼信號，以跨越隔離柵發(fā)送和接收邏輯數(shù)據(jù)。如圖4所示的脈沖編碼技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)編碼和解碼脈沖之間的時間較長時，在低數(shù)據(jù)速率下消耗低電源電流。圖5所示的載波技術(shù)稱為開-關(guān)鍵控（OOK），在低數(shù)據(jù)速率下比脈沖編碼方法消耗更多的電流。在更高的數(shù)據(jù)速率下（10 Mbps以上） OOK方法消耗的電源電流比脈沖編碼技術(shù)少。與脈沖編碼技術(shù)相比，OOK技術(shù)的優(yōu)勢在于OOK技術(shù)具有更簡單的邏輯，從而產(chǎn)生更低的傳播延遲和更高的最大數(shù)據(jù)速率。脈沖編碼技術(shù)的缺點(diǎn)是，如果外部噪聲導(dǎo)致輸出數(shù)據(jù)被打亂，這可能會持續(xù)一微秒或更長時間，直到內(nèi)部糾錯或出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)邊沿。對于電機(jī)控制應(yīng)用，這可能意味著柵極驅(qū)動器開關(guān)或反饋控制信號可能會失控足夠長的時間，以至于開關(guān)電路或電機(jī)驅(qū)動器可能會損壞。使用OOK技術(shù)，如果數(shù)據(jù)擾動是由電壓瞬變引起的，則擾動可能僅在噪聲發(fā)生的短時間內(nèi)干擾數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)樾盘柺遣粩囹?qū)動的。此外，由于架構(gòu)更簡單，OOK數(shù)字隔離器可以設(shè)計為對電機(jī)控制應(yīng)用中產(chǎn)生的電噪聲具有很強(qiáng)的魯棒性。

圖3.數(shù)字隔離器框圖

圖4.數(shù)字隔離器：脈沖編碼數(shù)據(jù)架構(gòu)。

圖5.數(shù)字隔離器：開關(guān)鍵控數(shù)據(jù)架構(gòu)

抗噪性

大型電機(jī)應(yīng)用中的噪聲可能由隔離柵兩端的共模電壓變化產(chǎn)生，當(dāng) 電機(jī)控制開關(guān)電路會在電橋電壓中產(chǎn)生階躍變化。隔離器承受這種高壓擺率電壓瞬變而不使隔離器輸出發(fā)生擾動的能力定義為共模瞬變抗擾度（CMTI）。光耦合器的CMTI 可能不是很高，因?yàn)樗哂蟹浅Ｃ舾械?a target="_blank">接收器元件，容易產(chǎn)生電容耦合效應(yīng)。光耦合器的容性耦合是單端結(jié)構(gòu)，信號和噪聲只有一條路徑穿過隔離柵。這要求信號頻率遠(yuǎn)高于噪聲的預(yù)期頻率，以便勢壘電容對信號具有低阻抗，對噪聲具有高阻抗。在電機(jī)控制信號的低信號頻率（通常小于16 kHz）下，共模瞬變的高頻分量將高于信號頻率，并且幅度可能足以擾亂光耦合器的輸出。以圖6中基于變壓器的數(shù)字隔離器為例，變壓器具有差分輸入結(jié)構(gòu)，為輸入信號和噪聲提供不同的傳輸路徑，其固有地對共模噪聲具有更大的抗擾度，而沒有光耦合器對信號頻率高于噪聲頻率的限制。提高對電噪聲的抗擾度，可在高噪聲環(huán)境中可靠運(yùn)行。圖7顯示了高電橋電壓和共模瞬變的快速dV/dt的開關(guān)噪聲，數(shù)字隔離器在電機(jī)控制開關(guān)期間需要不受干擾。示波器波形顯示，對于采用變壓器耦合數(shù)字隔離器的開關(guān)鍵控架構(gòu)，GND需要超過150 kV/μs的非?？焖俚墓材Ｋ沧儯–MT）2到接地1導(dǎo)致數(shù)據(jù)擾動，隔離器輸出只會在3 ns的極短時間內(nèi)擾動。實(shí)現(xiàn)非常高的CMTI的關(guān)鍵是發(fā)射器必須不斷產(chǎn)生差分載波信號，并且接收器必須具有高電平 不受輸入共模變化的影響。

圖6.變壓器耦合數(shù)字隔離器示意圖

圖7.電機(jī)控制應(yīng)用中的共模瞬態(tài) dV/dt。

浪涌能力

電機(jī)控制應(yīng)用中可能發(fā)生高壓瞬變或浪涌，這些浪涌的峰值可能超過10，000 V，上升時間 僅1.2μs。光耦合器具有厚厚的內(nèi)部絕緣層，因此可以滿足承受這些浪涌的要求。使用二氧化硅的數(shù)字隔離器對絕緣層的厚度有限制，而不會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致開裂。使用聚酰亞胺的數(shù)字隔離器中的絕緣可以提高其浪涌能力，當(dāng)聚酰亞胺絕緣層以總厚度為30μm的多層制成時，這已被證明非常有效。在圖8中，30μm聚酰亞胺的浪涌測試結(jié)果顯示，它非常堅(jiān)固，可以承受±20 kV峰值。

圖8.聚酰亞胺絕緣浪涌測試結(jié)果。

總結(jié)

表1中的隔離器比較顯示了數(shù)字隔離器在惡劣環(huán)境下如何比光耦合器提高性能 電動機(jī)應(yīng)用。光耦合器的抗擾度（CMTI）最小僅為10 kV/μs，但數(shù)字隔離器的抗擾度要高出許多倍 對導(dǎo)致電機(jī)控制紊亂的電壓瞬變的抗擾度高于光耦合器。雖然光耦合器及其LED老化問題通常僅限于85°C工作，但數(shù)字隔離器將在高達(dá)125oC的高溫下工作。本文介紹了這些數(shù)字隔離器的工作原理，以及它們的高級功能在電機(jī)控制應(yīng)用中如何優(yōu)于光耦合器。

表 1.電機(jī)控制應(yīng)用隔離器比較

審核編輯：郭婷