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 - 全文

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)度會隨著時間推移和溫度變化 而降低,這就會帶來設(shè)計和可靠性問題。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。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。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,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。

圖1. 隔離通信電機(jī)控制框圖

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。

圖2. 隔離控制和通信電機(jī)控制框圖

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)成一個整體,IC受損時,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,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)。

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間推移和溫 度變化而減少。用作多通道隔離器時,光耦合器的通道間失配 會隨著時間推移而增大。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?法編碼和解碼信號,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間較長 時,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,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)一微秒或更長時間,直至內(nèi)部糾錯邏 輯糾正錯誤或出現(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間內(nèi)失控,該 時間足夠長,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)鍵控數(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,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?收元件非常敏感,易受容性耦合效應(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(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6. 變壓器耦合數(shù)字隔離器框圖

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

作者簡介

Brian Kennedy是ADI公司接口與iCoupler數(shù)字隔離器部的應(yīng)用 工程師,專門研究數(shù)字隔離和隔離電源應(yīng)用。他在集成電 路電源應(yīng)用方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn),已在ADI公司工作8年, 擁有紐約州立大學(xué)(布法羅校區(qū))電氣工程學(xué)士學(xué)位(BSEE)。