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。

圖1. 隔離通信電機控制框圖

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。

圖2. 隔離控制和通信電機控制框圖

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。

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