數(shù)字隔離器在工業(yè)電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中具有性能優(yōu)勢

作者：Bob Briano and Aengus Murray

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器中使用的電子控制必須 能夠在非常 苛刻的電氣環(huán)境。電力電子 電路在電機(jī)繞組上產(chǎn)生尖銳的電壓邊緣 可以電容耦合到低壓電路中。 電源開關(guān)和寄生的非理想行為 電源電路中的元件也會產(chǎn)生感應(yīng)式 耦合噪聲。控制電路之間的長電纜 電機(jī)和傳感器提供多條耦合路徑 噪聲轉(zhuǎn)化為控制反饋信號。高性能驅(qū)動器 需要高保真反饋控制和信號，必須 與非常嘈雜的電源電路隔離。在典型的 驅(qū)動系統(tǒng)，包括隔離柵極驅(qū)動信號 驅(qū)動逆變器電源、電流和位置反饋 向電機(jī)控制器發(fā)送信號并隔離通信 各種子系統(tǒng)之間的信號。信號隔離 必須在不影響帶寬的情況下交付 信號路徑或不會顯著增加系統(tǒng)成本。 光耦合器一直是傳統(tǒng)的創(chuàng)建方法 跨越隔離柵的安全隔離。即使 光耦合器已經(jīng)使用了幾十年，它們已經(jīng) 影響系統(tǒng)級性能的限制。

變速電機(jī)的廣泛采用 工業(yè)應(yīng)用中的驅(qū)動器已通過以下方式實(shí)現(xiàn) 高效電力電子的可用性 開關(guān)和高性價(jià)比的電子控制電路。 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是耦合高功率開關(guān) 具有低壓控制電路的電路，無需交易 關(guān)閉抗噪性或開關(guān)速度。

現(xiàn)代開關(guān)電源逆變器的效率 通常超過 95% 使用功率晶體管開關(guān) 或者，將電機(jī)繞組連接在上部和 高壓直流軌的下軌。此過程最小化 逆變器中的損耗，因?yàn)楣β示w管 在完全飽和模式下運(yùn)行，從而最大限度地減少 導(dǎo)通時(shí)的壓降和功率損耗。有 開關(guān)時(shí)的額外功率晶體管損耗，因?yàn)?在此期間，兩端的電壓很大 晶體管在負(fù)載電流在上部之間切換 和低功耗設(shè)備。功率半導(dǎo)體公司 設(shè)計(jì)晶體管，例如具有短導(dǎo)通和 IGBT 關(guān)斷時(shí)間以最大程度地減少此開關(guān)功率損耗。 然而，這種更高的開關(guān)速度有一些不必要的 副作用，例如開關(guān)噪聲增加。

在驅(qū)動控制方面，VLSI 的持續(xù)進(jìn)步 加工提高了混合的成本和性能 信號控制電路，使 先進(jìn)的數(shù)字控制算法，提高效率 的交流電機(jī)。這種改進(jìn)的性能的代價(jià)是 將 IC 工作電壓從 12 V 降低到 5 V，以及 現(xiàn)在升至 3.3 V，因此靈敏度提高至 噪聲。過濾這種噪聲的傳統(tǒng)方法非常 由于需要維護(hù)驅(qū)動器，通常不可用 系統(tǒng)帶寬，這通常是關(guān)鍵性能 參數(shù)。

電機(jī)驅(qū)動逆變器環(huán)境

三相逆變器是一種電力電子開關(guān) 控制直流電源軌電流的電路 到三個(gè)交流電機(jī)繞組。逆變器有三個(gè)相同的 支腿，每個(gè)支腿包括兩個(gè)IGBT晶體管和兩個(gè)二極管 如圖1所示。每個(gè)電機(jī)繞組都連接到 連接高低側(cè)的公共節(jié)點(diǎn) 通過分流器的晶體管。逆變器切換 上下電壓軌之間的電機(jī)繞組 的直流母線來控制平均電壓。繞組 具有高電感性，將反對電流的變化 流動，所以當(dāng)功率晶體管關(guān)閉時(shí)，電流開始 流入連接到相反電源軌的二極管。這 允許連續(xù)電流流向電機(jī)繞組 即使通過 逆變功率器件和直流母線電容器。電機(jī) 繞組阻抗充當(dāng)高通濾波器 電壓 脈寬調(diào)制方波輸出電壓 從逆變器。

圖1.電源逆變器電路，包括寄生元件。

連接低電平時(shí)存在重大挑戰(zhàn) 電源逆變器的電壓控制電路。一個(gè)非?；镜?問題是高端晶體管發(fā)射極節(jié)點(diǎn)是 在高位的上軌和下軌之間切換 電壓總線。首先，高端驅(qū)動器必須能夠 相對于發(fā)射器驅(qū)動?xùn)艠O信號，該發(fā)射器可能是 300 V以上輸入信號共通。其次 分流器上的電機(jī)電流信號（v.sh） 必須為 從300 V或更高的共模電壓中提取。 寄生元件引入了其他問題 在電源電路中。PCB 走線電感甚至為 10 nH 通電時(shí)可能會引入很大的電壓（>10 V） 晶體管或二極管的開啟或關(guān)閉速率高于 1 A/秒。會產(chǎn)生寄生電容和元件電容 在振鈴中延長噪聲脈沖的持續(xù)時(shí)間 由設(shè)備切換生成。即使是高頻 電機(jī)電源線的阻抗可能會帶來問題 因?yàn)槌鲇诎踩?，電源板可能位?離電機(jī)很遠(yuǎn)。其他影響包括噪點(diǎn) 耦合到來自電機(jī)的反饋傳感器信號，因?yàn)?的快速開關(guān)繞組電壓波形。這 隨著額定功率的提高，問題的規(guī)模越來越大 驅(qū)動電路增加了電路板的物理尺寸 產(chǎn)生更高的寄生電感以及 甚至更高的電流和電壓切換速率。

通過隔離控制和消除噪聲耦合 電源電路是解決這個(gè)問題的主要工具。 隔離電路的性能是關(guān)鍵因素 確定驅(qū)動器性能。軸位置編碼器 產(chǎn)生頻率為 100 kHz 的數(shù)字脈沖流 或隨著軸的旋轉(zhuǎn)而更多。但是，在許多情況下， 安裝在編碼器上的電路提高了 該設(shè)備，并將數(shù)據(jù)速率提高到 10 Mbps 以上。也 分流器兩端的反饋信號可以通過 FIRST 隔離 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字位流，然后隔離 來自低功耗電路的比特流。在這種情況下， 數(shù)據(jù)速率為 10 Mbps 至 20 Mbps。

柵極驅(qū)動所需的開關(guān)性能 考慮到電機(jī)驅(qū)動，電路似乎要求不高 逆變器開關(guān)速率很少超過 20 kHz。然而 需要在 高邊和低邊器件的開關(guān)信號，以防止 射穿。此死區(qū)時(shí)間是延遲的函數(shù) 電源開關(guān)的打開/關(guān)閉以及不確定性 隔離電路引入的延遲。一個(gè)擴(kuò)展的 死區(qū)時(shí)間在功率中引入了進(jìn)一步的非線性 逆變器傳遞函數(shù)會產(chǎn)生不需要的 電流諧波，并可能降低驅(qū)動 效率。

因此，發(fā)送數(shù)據(jù)的方法至關(guān)重要 電源電路和控制之間的隔離柵 電路不會在開關(guān)中引入時(shí)序不確定性 并且不受噪音影響。

隔離器技術(shù)比較 傳輸速度

隔離不應(yīng)提供任何可觀的影響 整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序不確定性或時(shí)序誤差 性能。標(biāo)準(zhǔn)光耦合器具有傳播功能 微秒量級的延遲，可能會有所不同 從零件到零件，溫度和 輩子。光耦合器技術(shù)具有基礎(chǔ) 時(shí)序性能的局限性，而現(xiàn)代 數(shù)字隔離器使用完全不同的原理 以固有的更高速度運(yùn)行。

提高光耦合器的速度可以通過以下方式完成 權(quán)衡取舍。光耦合器通過從LED發(fā)送光來工作 穿過光學(xué)透明的隔離材料并檢測 另一側(cè)有光電二極管的光。速度 光耦合器是一個(gè)直接關(guān)系到速度的檢波器 光電二極管及其充電二極管所需的時(shí)間 電容。減少傳播延遲的一種方法是 增加透射光量。延遲可能是 通過增加 LED 電流減少 2 或 3 倍 以增加功耗為代價(jià) 設(shè)備，每個(gè)數(shù)據(jù)通道高達(dá) 50 mW。

圖2.光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

提高速度的另一種方法是減少光線 通過制造更薄的隔離柵來損耗傳輸損耗。 為了保持相同的隔離能力，需要額外的 材料層與更高價(jià)格的權(quán)衡。高等 速度光耦合器比 標(biāo)準(zhǔn)低成本光耦合器。

相比之下，數(shù)字隔離器使用標(biāo)準(zhǔn)高速工作 采用隔離式片上微變壓器的CMOS工藝。 傳輸速度本質(zhì)上比光耦合器快得多。 更高的速度是電路固有的， 設(shè)計(jì)，不需要更復(fù)雜和昂貴的隔離 用于更高速度的材料。變壓器可以傳遞數(shù)據(jù) 傳輸速度高達(dá) 150 Mbps，帶傳播 延遲低至 32 ns，功耗<5 mW 開關(guān)速度為 25 kHz 或更高。另一個(gè)好處 速度越快，通道之間的匹配 優(yōu)于 5 ns，好一個(gè)數(shù)量級以上 比標(biāo)準(zhǔn)光耦合器好3到4倍 最快的光耦合器，每通道價(jià)格約為其一半。

圖3.基于變壓器的數(shù)字隔離器的結(jié)構(gòu)。

隔離噪聲抗擾度

在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，隔離提供 也可以通過電隔離噪聲源 隔離電源開關(guān)電路的噪聲，以及 控制電路。需要安全隔離 在以下所有之間：高壓總線、線路電壓、 以及保護(hù)人員和其他人的用戶界面 設(shè)備。還需要功能隔離 在高邊和低邊開關(guān)和控制電路之間。 隔離組件必須能夠提供 必要的隔離，但也必須對嘈雜不敏感 環(huán)境。

隔離器分離高速能力的指標(biāo) 接地域之間的噪聲通常指定為 共模瞬變抗擾度 （CMTI）。CMTI是 衡量隔離器抑制電壓噪聲的能力 跨越屏障，無需隔離器數(shù)據(jù)通信 被噪音打斷。這是以 kV/μs 瞬態(tài)。

電壓瞬態(tài)噪聲穿過勢壘的路徑為 通常寄生電容跨越勢壘內(nèi)的 隔 振 器。光耦合器的CMTI通常相對較差 15 kV/μs。一些現(xiàn)代數(shù)字隔離器使用電容式 具有相同信號路徑的耦合數(shù)據(jù)隔離 和共模噪聲。基于變壓器的隔離器，例如 作為ADI公司i耦合器數(shù)字隔離器，具有信號 與噪聲路徑不同的路徑，通常具有 CMTI 值為 50 kV/μs 或更高。

絕緣材料和可靠性

數(shù)字隔離器采用代工廠CMOS工藝，并且 僅限于鑄造廠常用的材料。 非標(biāo)準(zhǔn)材料使生產(chǎn)復(fù)雜化，導(dǎo)致 可制造性差，成本較高。常見 絕緣材料包括聚酰亞胺等聚合物 （PI），可以紡成薄膜和二氧化硅 （二氧化硅）。兩者都具有眾所周知的絕緣性能，并具有 多年來一直用于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工。 聚合物一直是許多光耦合器的基礎(chǔ)，為 它們作為高壓絕緣體有著悠久的歷史。

安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定一分鐘電壓 額定耐受值（通常為 2.5 kV rms 至 5 kV rms）和 工作電壓（通常為 125 V rms 至 400 V rms）。一些 標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了較短的持續(xù)時(shí)間，浪涌電壓（對于 例如，10 kV 峰值持續(xù) 50 μs）作為認(rèn)證的一部分 加強(qiáng)絕緣。聚合物/聚酰亞胺隔離器 產(chǎn)生最佳的隔離性能（見表1）。

基于聚酰亞胺的數(shù)字隔離器類似于光耦合器 并在典型工作時(shí)超過電機(jī)工作壽命 額定壽命為 50 年的電壓?；?SiO2 的隔離器 提供類似的工作壽命，但較弱 防止高能量浪涌。

在高溫下連續(xù)使用光耦合器 可以限制他們的壽命不受故障的限制 隔離材料但被磨損出來的LED。為 在 85°C >的高溫下運(yùn)行 10，000 小時(shí)， 光耦合器的電流傳輸比（CTR）將 降解 10% 至 20%。對于 100，000 小時(shí)，點(diǎn)擊率可以 下降一半或更多。

集成可能性

光耦合器LED和優(yōu)化的光電探測器不是 兼容低成本CMOS技術(shù)。任何集成 其他功能，例如不飽和的柵極驅(qū)動器 檢測， 使用Σ-Δ型ADC進(jìn)行隔離電流檢測， 多向數(shù)據(jù)流需要多芯片解決方案 使具有這些特性的光耦合器非常昂貴。 采用CMOS技術(shù)的數(shù)字隔離器 變壓器可以自然地添加這些功能 的集成度提高。因?yàn)樽儔浩饕部梢?用于傳輸隔離電源，高邊電源可以 從同一包傳輸，無需 引導(dǎo)打包，這在某些應(yīng)用程序中是有問題的。 基于變壓器的數(shù)字隔離器目前可用于 集成直流/直流轉(zhuǎn)換器、Σ-Δ型 ADC、柵極驅(qū)動器、I2C, RS-485 收發(fā)器、RS-232 收發(fā)器和 CAN 采用單一封裝的收發(fā)器，可優(yōu)化兩種尺寸 和電機(jī)控制系統(tǒng)的成本。

實(shí)際應(yīng)用電路

典型驅(qū)動電路，用于演示隔離 顯示柵極驅(qū)動、通信和反饋信號 在圖 4 中。在該系統(tǒng)中，隔離式Σ-Δ型ADC用于 測量電機(jī)繞組電流和數(shù)字位 流由電機(jī)上的數(shù)字濾波電路處理 控制集成電路。位置編碼器包括一個(gè) ASIC 將位置和速度數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫姍C(jī)控制器 隔離式RS-485接口上的IC。其他隔離串行 接口包括 I2與 PFC 和 與前面板的隔離RS-232鏈路。在這種情況下， PWM 信號與逆變器模塊和 IGBT由嵌入在 模塊。

圖4.典型的中型工業(yè)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷