【導讀】Brian Kennedy ADI公司應用工程師簡介在惡劣的電機應用環境中，需要魯棒的數字隔離器。由于環境非常糟糕，應用要求能夠抵御高壓瞬變，防止數據受擾，并且消除高壓電壓力對隔離器隔離壽命的影響。此類應用的典型隔離解決方案是光耦合器，其內部絕緣層很厚，可以承受高壓。
光耦合器的缺點是要使用發光二極管(LED)，其光強度會隨著時間推移和溫度變化而降低，這就會帶來設計和可靠性問題。新型且更魯棒的數字隔離器不使用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。這種數字隔離器的優勢是對高壓瞬變的抗擾度更強，能夠更好地滿足電機控制應用的要求。本文將詳細說明此類新型數字隔離器的工作原理，以及在上述應用中其先進的功能如何勝過光耦合器。
應用
根據應用的性能和功率水平，以及具體的控制和隔離方案，電機驅動有各種各樣的系統設計。圖1所示為逆變器或低端電機驅動器常用的隔離通信框圖。在該系統中，控制器電位與功率級相同，通信接口被隔離，因為這通常是一個較低速度且較簡單的接口。在此類系統中，功率逆變器可能具有低端柵極驅動器，這些驅動器不需要隔離，因為其與電機控制模塊共享同一接地。高端驅動器可以隔離，但也可以使用電平轉換之類的技術，尤其是當功率逆變器電壓不是太高時。在此框圖中，電機控制器不使用隔離，直接連到逆變器反饋。當功率水平較高時，使用這種架構會有局限性。開關信號在電機上產生的額外噪聲可能會淹沒用來監測電機電流的反饋信號，進而可能引起電機失控。
對于較高性能驅動，例如工業電機和火車牽引電機中使用的大型多相驅動，將會需要隔離控制和通信，如圖2所示。在此系統框圖中，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。因為電機控制模塊位于隔離柵的安全側，所以全部柵極驅動器都需要隔離。特定隔離電壓和安全要求由具體架構和隔離柵位置決定。在框圖中，逆變器反饋用來幫助控制電機驅動，是電機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的兩相中的電流測量節點iV和iW。在隔離控制和通信系統圖中，逆變器反饋必須跨隔離柵連接，故而這里也需要隔離。在許多高功率電機應用中，架構會要求對三相電機的高電壓進行增強隔離，防止用戶接觸到高電壓。此類增強隔離應用具有極大的隔離電壓要求，可能需要隔離器增大內部絕緣厚度（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，并且具有數十年的現場使用歷史，成為業界慣用的經典高壓隔離器。光耦合器使用模塑料作為絕緣介質，塑料成型工藝可能會在絕緣層中產生空隙，這會造成部分放電并引起絕緣失效。由于這個原因，認證機構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，數字隔離器利用內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體制造工藝中生產的。這就消除了絕緣中的空隙，絕緣結構變得簡單得多，而且更為魯棒。
數字隔離器不使用LED，不存在LED可靠性問題。隨著工藝改進，絕緣層厚度和組成越來越優化，數字隔離器也就更加魯棒。某些數字隔離器使用薄層二氧化硅來產生高介電強度絕緣，這已廣泛用作半導體芯片上的絕緣體。二氧化硅絕緣的缺點是它與IC構成一個整體，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，聚酰亞胺半導體工藝已使用數十年，可幫助實現強健可靠的集成電路。聚酰亞胺內部絕緣屬于后期處理，具有獨立的完整性。如果IC受損，獨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驅動應用可能需要的增強絕緣。使用數字隔離器的工程師需要制造商提供全壽命數據，以證明器件的時間、溫度、濕度和電壓性能能夠應對取代光耦合器的挑戰。
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Gate Drive柵極驅動Inverter Feedback逆變器反饋PWM TimerPWM定時器Motor Control (Algorithms and Drivers)電機控制（算法和驅動器）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)系統和通信（RTOS、協議和堆棧）Command and Network命令和網絡圖1.隔離通信電機控制框圖
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Isolated Power隔離電源SELV PowerSELV電源Gate Drive柵極驅動Inverter Feedback逆變器反饋Safety Isolation安全隔離PWM TimerPWM定時器Motor Control (Algorithms and Drivers)電機控制（算法和驅動器）Position Feedback位置反饋Safety Earth安全接地System and Communications (RTOS, Protocols, and Stacks)系統和通信（RTOS、協議和堆棧）Command and Network命令和網絡圖2.隔離控制和通信電機控制框圖
環境
電機控制應用的環境條件可能包括極端溫度和濕度。以列車牽引電機為例可以說明其中的一些極端情況。假設機車發動機在寒冷的冬日里牽引著一長串滿載車廂在山區鐵軌上行駛。環境溫度可能低于−40°C，電機暴露在嚴寒的室外空氣中，這時列車進入一條長長的隧道，由于發動機產生的熱量，電機和發動機周圍的溫度可能會迅速上升。電機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，其內部LED產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，數字隔離器不依賴于檢測內部LED的信號，而是利用半導體IC工藝制造可靠的電路，由此跨越隔離柵收發數字信號。
數字隔離器
數字隔離器結構和技術如圖3中的示例框圖所示。根據具體架構，數字隔離器響應輸入邏輯電平或輸入脈沖。可使用不同方法編碼和解碼信號，以便跨越隔離柵收發邏輯數據。脈沖編碼技術如圖4所示，其優點是當編碼和解碼脈沖之間的時間較長時，低數據速率下消耗的電源電流較低。載波技術如圖5所示，即所謂開關鍵控(OOK)，其在低數據速率時消耗的電流多于脈沖編碼方法。在較高數據速率（10 Mbps以上）時，OOK方法消耗的電源電流少于脈沖編碼技術。OOK技術相比于脈沖編碼技術的優勢在于，OOK技術的邏輯更簡單，故而傳播延遲更低，最大數據速率更高。脈沖編碼技術的缺點是：如果外部噪聲擾亂了輸出數據，這種狀況會持續一微秒或更長時間，直至內部糾錯邏輯糾正錯誤或出現新的數據沿。對于電機控制應用，這可能意味著柵極驅動器開關或反饋控制信號會在一定時間內失控，該時間足夠長，以至于開關電路或電機驅動可能受損。利用OOK技術，如果電壓瞬變擾亂數據，這種擾亂只會在噪聲出現的短暫時間內干擾數據輸出，因為信號是被持久不變地驅動的。此外，由于架構較簡單，OOK數字隔離器可以設計得非常魯棒，不懼電機控制應用中的電氣噪聲。
圖3.數字隔離器框圖
圖4.數字隔離器：脈沖編碼數據架構
圖5.數字隔離器：開關鍵控數據架構
抗擾度
在大型電機應用中，當電機控制開關電路在橋電壓中產生步進變化時，隔離柵上的共模電壓變化可能會產生噪聲。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，因為其接收元件非常敏感，易受容性耦合效應影響。光耦合器的容性耦合是一種單端結構，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高于預期的噪聲頻率，以便隔離柵電容對信號提供低阻抗，而對噪聲提供高阻抗。當電機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。考察圖6所示的基于變壓器的數字隔離器，變壓器有一個差分輸入結構，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。改進的電氣噪聲抗擾度使得器件能在高噪聲環境下可靠地工作。圖7顯示了電機控制開關期間共模瞬變的高橋電壓和快速dV/dt的開關噪聲，數字隔離器必須能抵抗這種干擾。示波器波形顯示，對于開關鍵控架構的變壓器耦合數字隔離器，要擾亂數據，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，只有區區3 ns。實現超高CMTI的關鍵在于發送器必須不斷產生差分載波信號，并且接收器必須具有很高的輸入共模變化抗擾度。
圖6.變壓器耦合數字隔離器框圖
圖7.電機控制應用中的共模瞬變dV/dt
浪涌保護能力
電機控制應用中可能出現高壓瞬變或浪涌，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部絕緣層來滿足浪涌保護要求。對于采用二氧化硅的數字隔離器，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。采用聚酰亞胺的數字隔離器絕緣可以改善浪涌保護能力，分為多層制造且總厚度為30 μm的聚酰亞胺絕緣業已證明非常有效。在圖8中，30 μm聚酰亞胺的浪涌測試結果表明它非常魯棒，可以耐受±20 kV峰值。
圖8.聚酰亞胺絕緣浪涌測試結果
總結
表1中的隔離器對比顯示了在惡劣的電機應用環境中，數字隔離器的性能優于光耦合器。對于擾亂電機控制的電壓瞬變，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，但數字隔離器的工作溫度可以達到125ºC。本文說明了此類數字隔離器的工作原理，以及在電機控制應用中其先進的功能如何勝過光耦合器。
表1.電機控制應用的隔離器比較
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