在惡劣的電機(jī)驅(qū)動環(huán)境中使用魯棒的數(shù)字隔離器

Brian Kennedy ADI公司應(yīng)用工程師簡介在惡劣的電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中，需要魯棒的數(shù)字隔離器。由于環(huán)境非常糟糕，應(yīng)用要求能夠抵御高壓瞬變，防止數(shù)據(jù)受擾，并且消除高壓電壓力對隔離器隔離壽命的影響。此類應(yīng)用的典型隔離解決方案是光耦合器，其內(nèi)部絕緣層很厚，可以承受高壓。

光耦合器的缺點(diǎn)是要使用發(fā)光二極管(LED)，其光強(qiáng)度會隨著時(shí)間推移和溫度變化而降低，這就會帶來設(shè)計(jì)和可靠性問題。新型且更魯棒的數(shù)字隔離器不使用LED，消除了可靠性問題，改善了絕緣能力，可與光耦合器相媲美。這種數(shù)字隔離器的優(yōu)勢是對高壓瞬變的抗擾度更強(qiáng)，能夠更好地滿足電機(jī)控制應(yīng)用的要求。本文將詳細(xì)說明此類新型數(shù)字隔離器的工作原理，以及在上述應(yīng)用中其先進(jìn)的功能如何勝過光耦合器。

應(yīng)用

根據(jù)應(yīng)用的性能和功率水平，以及具體的控制和隔離方案，電機(jī)驅(qū)動有各種各樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1所示為逆變器或低端電機(jī)驅(qū)動器常用的隔離通信框圖。在該系統(tǒng)中，控制器電位與功率級相同，通信接口被隔離，因?yàn)檫@通常是一個(gè)較低速度且較簡單的接口。在此類系統(tǒng)中，功率逆變器可能具有低端柵極驅(qū)動器，這些驅(qū)動器不需要隔離，因?yàn)槠渑c電機(jī)控制模塊共享同一接地。高端驅(qū)動器可以隔離，但也可以使用電平轉(zhuǎn)換之類的技術(shù)，尤其是當(dāng)功率逆變器電壓不是太高時(shí)。在此框圖中，電機(jī)控制器不使用隔離，直接連到逆變器反饋。當(dāng)功率水平較高時(shí)，使用這種架構(gòu)會有局限性。開關(guān)信號在電機(jī)上產(chǎn)生的額外噪聲可能會淹沒用來監(jiān)測電機(jī)電流的反饋信號，進(jìn)而可能引起電機(jī)失控。

對于較高性能驅(qū)動，例如工業(yè)電機(jī)和火車牽引電機(jī)中使用的大型多相驅(qū)動，將會需要隔離控制和通信，如圖2所示。在此系統(tǒng)框圖中，出于抗噪和提高通信速度的原因，控制和通信均位于隔離柵的安全側(cè)。因?yàn)殡姍C(jī)控制模塊位于隔離柵的安全側(cè)，所以全部柵極驅(qū)動器都需要隔離。特定隔離電壓和安全要求由具體架構(gòu)和隔離柵位置決定。在框圖中，逆變器反饋用來幫助控制電機(jī)驅(qū)動，是電機(jī)控制最重要的方面之一。如圖所示，逆變器反饋連接到三相交流電機(jī)的兩相中的電流測量節(jié)點(diǎn)iV和iW。在隔離控制和通信系統(tǒng)圖中，逆變器反饋必須跨隔離柵連接，故而這里也需要隔離。在許多高功率電機(jī)應(yīng)用中，架構(gòu)會要求對三相電機(jī)的高電壓進(jìn)行增強(qiáng)隔離，防止用戶接觸到高電壓。此類增強(qiáng)隔離應(yīng)用具有極大的隔離電壓要求，可能需要隔離器增大內(nèi)部絕緣厚度（取決于材料）。

絕緣

隔離器的絕緣能力是指其在工作壽命中耐受高壓的能力。在相同的環(huán)境條件、電壓瞬變和電壓波形下，不同類型的隔離材料具有不同的絕緣能力。光耦合器由于絕緣層厚，耐壓能力強(qiáng)，并且具有數(shù)十年的現(xiàn)場使用歷史，成為業(yè)界慣用的經(jīng)典高壓隔離器。光耦合器使用模塑料作為絕緣介質(zhì)，塑料成型工藝可能會在絕緣層中產(chǎn)生空隙，這會造成部分放電并引起絕緣失效。由于這個(gè)原因，認(rèn)證機(jī)構(gòu)對絕緣高壓測試的要求會包括部分放電測試。與光耦合器不同，數(shù)字隔離器利用內(nèi)部絕緣層作為原邊隔離柵，這些絕緣層是在界定明確且高度受控的半導(dǎo)體制造工藝中生產(chǎn)的。這就消除了絕緣中的空隙，絕緣結(jié)構(gòu)變得簡單得多，而且更為魯棒。

數(shù)字隔離器不使用LED，不存在LED可靠性問題。隨著工藝改進(jìn)，絕緣層厚度和組成越來越優(yōu)化，數(shù)字隔離器也就更加魯棒。某些數(shù)字隔離器使用薄層二氧化硅來產(chǎn)生高介電強(qiáng)度絕緣，這已廣泛用作半導(dǎo)體芯片上的絕緣體。二氧化硅絕緣的缺點(diǎn)是它與IC構(gòu)成一個(gè)整體，IC受損時(shí)，隔離也可能受損。使用聚酰亞胺絕緣可克服二氧化硅的這種限制，聚酰亞胺半導(dǎo)體工藝已使用數(shù)十年，可幫助實(shí)現(xiàn)強(qiáng)健可靠的集成電路。聚酰亞胺內(nèi)部絕緣屬于后期處理，具有獨(dú)立的完整性。如果IC受損，獨(dú)立的聚酰亞胺絕緣仍會完好無損。分多層制造時(shí)，聚酰亞胺可用作電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用可能需要的增強(qiáng)絕緣。使用數(shù)字隔離器的工程師需要制造商提供全壽命數(shù)據(jù)，以證明器件的時(shí)間、溫度、濕度和電壓性能能夠應(yīng)對取代光耦合器的挑戰(zhàn)。

Input Rectifier輸入整流器AC Line交流線路Power Inverter功率逆變器AC Motor交流電機(jī)Gate Drive柵極驅(qū)動Inverter Feedback逆變器反饋PWM TimerPWM定時(shí)器Motor Control (Algorithms and Drivers)電機(jī)控制（算法和驅(qū)動器）Position Feedback位置反饋Isolated Power隔離電源SELV PowerSELV電源Safety Isolation安全隔離Safety Earth安全接地System and Communications (RTOS, Protocols, and Stacks)系統(tǒng)和通信（RTOS、協(xié)議和堆棧）Command and Network命令和網(wǎng)絡(luò)圖1.隔離通信電機(jī)控制框圖

Input Rectifier輸入整流器AC Line交流線路Power Inverter功率逆變器AC Motor交流電機(jī)Isolated Power隔離電源SELV PowerSELV電源Gate Drive柵極驅(qū)動Inverter Feedback逆變器反饋Safety Isolation安全隔離PWM TimerPWM定時(shí)器Motor Control (Algorithms and Drivers)電機(jī)控制（算法和驅(qū)動器）Position Feedback位置反饋Safety Earth安全接地System and Communications (RTOS, Protocols, and Stacks)系統(tǒng)和通信（RTOS、協(xié)議和堆棧）Command and Network命令和網(wǎng)絡(luò)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)境條件可能包括極端溫度和濕度。以列車牽引電機(jī)為例可以說明其中的一些極端情況。假設(shè)機(jī)車發(fā)動機(jī)在寒冷的冬日里牽引著一長串滿載車廂在山區(qū)鐵軌上行駛。環(huán)境溫度可能低于?40°C，電機(jī)暴露在嚴(yán)寒的室外空氣中，這時(shí)列車進(jìn)入一條長長的隧道，由于發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量，電機(jī)和發(fā)動機(jī)周圍的溫度可能會迅速上升。電機(jī)及其絕緣體必須能在這種極端溫度下工作，而且能克服時(shí)間推移和溫度變化帶來的不利影響。眾所周知，光耦合器的性能會隨著溫度變化而降低，其內(nèi)部LED產(chǎn)生的光量和檢測器獲得的輸出信號會隨著時(shí)間推移和溫度變化而減少。用作多通道隔離器時(shí)，光耦合器的通道間失配會隨著時(shí)間推移而增大。相比之下，數(shù)字隔離器不依賴于檢測內(nèi)部LED的信號，而是利用半導(dǎo)體IC工藝制造可靠的電路，由此跨越隔離柵收發(fā)數(shù)字信號。

數(shù)字隔離器

數(shù)字隔離器結(jié)構(gòu)和技術(shù)如圖3中的示例框圖所示。根據(jù)具體架構(gòu)，數(shù)字隔離器響應(yīng)輸入邏輯電平或輸入脈沖?？墒褂貌煌椒ň幋a和解碼信號，以便跨越隔離柵收發(fā)邏輯數(shù)據(jù)。脈沖編碼技術(shù)如圖4所示，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)編碼和解碼脈沖之間的時(shí)間較長時(shí)，低數(shù)據(jù)速率下消耗的電源電流較低。載波技術(shù)如圖5所示，即所謂開關(guān)鍵控(OOK)，其在低數(shù)據(jù)速率時(shí)消耗的電流多于脈沖編碼方法。在較高數(shù)據(jù)速率（10 Mbps以上）時(shí)，OOK方法消耗的電源電流少于脈沖編碼技術(shù)。OOK技術(shù)相比于脈沖編碼技術(shù)的優(yōu)勢在于，OOK技術(shù)的邏輯更簡單，故而傳播延遲更低，最大數(shù)據(jù)速率更高。脈沖編碼技術(shù)的缺點(diǎn)是：如果外部噪聲擾亂了輸出數(shù)據(jù)，這種狀況會持續(xù)一微秒或更長時(shí)間，直至內(nèi)部糾錯(cuò)邏輯糾正錯(cuò)誤或出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)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)或反饋控制信號會在一定時(shí)間內(nèi)失控，該時(shí)間足夠長，以至于開關(guān)電路或電機(jī)驅(qū)動可能受損。利用OOK技術(shù)，如果電壓瞬變擾亂數(shù)據(jù)，這種擾亂只會在噪聲出現(xiàn)的短暫時(shí)間內(nèi)干擾數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)樾盘柺潜怀志貌蛔兊仳?qū)動的。此外，由于架構(gòu)較簡單，OOK數(shù)字隔離器可以設(shè)計(jì)得非常魯棒，不懼電機(jī)控制應(yīng)用中的電氣噪聲。

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?cái)?shù)據(jù)架構(gòu)

抗擾度

在大型電機(jī)應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)控制開關(guān)電路在橋電壓中產(chǎn)生步進(jìn)變化時(shí)，隔離柵上的共模電壓變化可能會產(chǎn)生噪聲。隔離器耐受此高壓擺率電壓瞬變且隔離器輸出不受干擾的能力，便是共模瞬變抗擾度(CMTI)。光耦合器的CMTI可能不是很高，因?yàn)槠浣邮赵浅Ｃ舾?，易受容性耦合效?yīng)影響。光耦合器的容性耦合是一種單端結(jié)構(gòu)，信號和噪聲只有一條路徑跨越隔離柵。這就要求信號頻率必須遠(yuǎn)高于預(yù)期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對信號提供低阻抗，而對噪聲提供高阻抗。當(dāng)電機(jī)控制信號頻率較低時(shí)（通常低于16 kHz），共模瞬變的高頻成分會高于信號頻率，其幅度可能足以擾亂光耦合器輸出?？疾靾D6所示的基于變壓器的數(shù)字隔離器，變壓器有一個(gè)差分輸入結(jié)構(gòu)，其為輸入信號和噪聲提供了不同的傳輸路徑，因此必然具有更大的共模噪聲抗擾度，而且不存在光耦合器要求信號頻率高于噪聲頻率的限制。改進(jìn)的電氣噪聲抗擾度使得器件能在高噪聲環(huán)境下可靠地工作。圖7顯示了電機(jī)控制開關(guān)期間共模瞬變的高橋電壓和快速dV/dt的開關(guān)噪聲，數(shù)字隔離器必須能抵抗這種干擾。示波器波形顯示，對于開關(guān)鍵控架構(gòu)的變壓器耦合數(shù)字隔離器，要擾亂數(shù)據(jù)，從GND2到GND1的快速共模瞬變(CMT)須高于150 kV/μs，而且隔離器輸出受擾亂的時(shí)間非常之短，只有區(qū)區(qū)3 ns。實(shí)現(xiàn)超高CMTI的關(guān)鍵在于發(fā)送器必須不斷產(chǎn)生差分載波信號，并且接收器必須具有很高的輸入共模變化抗擾度。

圖6.變壓器耦合數(shù)字隔離器框圖

圖7.電機(jī)控制應(yīng)用中的共模瞬變dV/dt

浪涌保護(hù)能力

電機(jī)控制應(yīng)用中可能出現(xiàn)高壓瞬變或浪涌，此類浪涌的峰值可能超過10,000 V，而上升時(shí)間僅有1.2 μs。光耦合器通過很厚的內(nèi)部絕緣層來滿足浪涌保護(hù)要求。對于采用二氧化硅的數(shù)字隔離器，為使內(nèi)部應(yīng)力不致引起裂縫，可制成的絕緣厚度是有限制的。采用聚酰亞胺的數(shù)字隔離器絕緣可以改善浪涌保護(hù)能力，分為多層制造且總厚度為30 μm的聚酰亞胺絕緣業(yè)已證明非常有效。在圖8中，30 μm聚酰亞胺的浪涌測試結(jié)果表明它非常魯棒，可以耐受±20 kV峰值。

圖8.聚酰亞胺絕緣浪涌測試結(jié)果

總結(jié)

表1中的隔離器對比顯示了在惡劣的電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中，數(shù)字隔離器的性能優(yōu)于光耦合器。對于擾亂電機(jī)控制的電壓瞬變，光耦合器的抗擾度(CMTI)最小值只有10 kV/μs，而數(shù)字隔離器的抗擾度要高出許多倍。光耦合器及其LED老化問題使得其工作溫度一般以85°C為限，但數(shù)字隔離器的工作溫度可以達(dá)到125oC。本文說明了此類數(shù)字隔離器的工作原理，以及在電機(jī)控制應(yīng)用中其先進(jìn)的功能如何勝過光耦合器。

表1.電機(jī)控制應(yīng)用的隔離器比較