簡介

工業(ye) 電機驅動中使用的電子控製必須能在惡劣的電氣環境中提供較高的係統性能。電源電路會(hui) 在電機繞組上導致電壓沿激增現象，而這些電壓沿則可以電容耦合進低電壓電路之中。電源電路中，電源開關(guan) 和寄生元件的非理想行為(wei) 也會(hui) 產(chan) 生感性耦合噪聲。控製電路與(yu) 電機和傳(chuan) 感器之間的長電纜形成多種路徑，可將噪聲耦合到控製反饋信號中。高性能驅動器需要必須與(yu) 高噪聲電源電路隔離開的高保真反饋控製和信號。在典型的驅動係統中，包括隔離柵極驅動信號，以便將逆變器、電流和位置反饋信號驅動到電機控製器，以及隔離各子係統之間的通信信號。實現信號隔離時，不得犧牲信號路徑的帶寬，也不得顯著增加係統成本。光耦合器是跨越隔離柵實現安全隔離的傳(chuan) 統方法。盡管光耦合器已使用數十年，其不足也會(hui) 影響係統級性能。

變速電機驅動器在工業(ye) 應用中的廣泛使用要歸功於(yu) 高效電源開關(guan) 和具有成本優(you) 勢的電子控製電路。設計上的困難則是用低壓控製電路耦合高功率開關(guan) 電路，而不犧牲抗噪性能或開關(guan) 速度。

圖1. 包括寄生元件的逆變器電路。

現代開關(guan) 逆變器的效率一般超過95%，所用功率晶體(ti) 管開關(guan) 還可連接高壓直流軌高軌與(yu) 低軌之間的電機繞組。這一過程可以減少逆變器的損耗，因為(wei) 功率晶體(ti) 管工作於(yu) 完全飽和模式下，而該模式會(hui) 降低傳(chuan) 導時的壓降和功率損耗。開關(guan) 過程中還存在額外的功率晶體(ti) 管損耗，因為(wei) 在此期間，晶體(ti) 管上有一較大的電壓，與(yu) 此同時，負載電流在高、低功率設備之間進行切換。功率半導體(ti) 公司設計出IGBT之類開關(guan) 時間較短的晶體(ti) 管，以減少這種開關(guan) 功率損耗。然而，這種較高的開關(guan) 速度也會(hui) 帶來一些無用的副作用，比如開關(guan) 噪聲增加。

在驅動器控製端，VLSI工藝的持續進步改善了混合信號控製電路的成本和性能，為(wei) 高級數字控製算法的廣泛應用以及交流電機效率的提高創造了條件。提升性能付出的代價(jia) 是IC工作電壓從(cong) 12 V至5 V降低至現在的3.3 V，結果提高了對噪聲的靈敏度。這種傳(chuan) 統的噪聲過濾方法通常不太適用，因為(wei) 往往需要維持驅動係統的帶寬，而帶寬一般都是一個(ge) 關(guan) 鍵的性能參數。

電機驅動逆變器環境

三相逆變器是一種功率電子開關(guan) 電路，控製功率從(cong) 直流供電軌到三個(ge) 交流電機繞組的流動。逆變器有三條相同的腿，每條腿包括兩(liang) 個(ge) IGBT晶體(ti) 管和兩(liang) 個(ge) 二極管，如圖1所示。每個(ge) 電機繞組均連接至通過分流器連接高端晶體(ti) 管和低端晶體(ti) 管的同一節點。逆變器使電機繞組在直流總線的高壓軌和低壓軌之間切換，以控製平均電壓。繞組具有極高的電感性，將阻擋電流的變化，因此，當功率晶體(ti) 管關(guan) 閉時，電流將開始在連接至相反電源軌的二極管中流動。這樣，即使逆變器功率設備和直流鏈路電容中存在斷續傳(chuan) 導，也會(hui) 有電流連續流到電機繞組中。電機繞組阻抗充當來自逆變器的高壓脈衝(chong) 寬度調製方波輸出電壓的低通濾波器。

將低壓控製電流連接至逆變器時存在巨大的困難。一個(ge) 基本問題是，高端晶體(ti) 管發射器節點在高壓總線高供電軌與(yu) 低供電軌之間切換。首先，高端驅動器必須能夠驅動相對於(yu) 一個(ge) 發射器(可能比共用輸入信號高300 V或以上)的柵極信號。其次，通過分流器(vsh)的電機電流信號必須從(cong) 300 V或以上的共模電壓中提取出來。其他問題將由電源電路中的寄生元件導致。當功率晶體(ti) 管或二極管的開關(guan) 頻率超過1 A/ns時，即使是10 nH的PCB走線電感也可能導致顯著的電壓(>10 V)。寄生電感和部件電感會(hui) 導致振鈴，結果使設備開關(guan) 產(chan) 生的噪聲脈衝(chong) 的持續時間變長。甚至電機電纜的高頻阻抗也可能帶來問題，因為(wei) 出於(yu) 安全考慮，配電板可能離電機很遠。其他效應包括噪聲從(cong) 電機耦合到反饋傳(chuan) 感器信號中，其原因是快速切換的繞組電壓波形。問題將變得更加嚴(yan) 重，因為(wei) 驅動電路的功率額定值將增加電路板的物理尺寸，結果將進一步增加寄生電感，甚至提高電流和電壓開關(guan) 速率。通過隔離控製和電源電路消除噪聲耦合現象，是應對這一問題的主要工具之一。隔離電路的性能是決(jue) 定驅動性能的一個(ge) 關(guan) 鍵因素。在轉軸轉動時，轉軸位置編碼器將產(chan) 生頻率為(wei) 100 kHz或以上的數字脈衝(chong) 流。然而，在許多情況下，編碼器上安裝的電路會(hui) 提高設備的精度，並使數據速率增加到10 Mbps以上。另外，跨越分流器的反饋信號也可以隔離，方法是先把數據轉換成數字位流，然後把該位流與(yu) 低功耗電路隔離開來。這種情況下，數據速率為(wei) 10 Mbps至20 Mbps。

柵極驅動電路所需要的開關(guan) 性能似乎並不高，因為(wei) 電機驅動逆變器的開關(guan) 速率很少超過20 kHz。然而，需要在高端設備和低端設備的開關(guan) 信號之間插入一個(ge) 死區，以防止發生直通。死區為(wei) 功率開關(guan) 的開啟和關(guan) 閉延遲以及隔離電路所致延遲的不確定性的函數。死區延長會(hui) 給逆變器傳(chuan) 遞函數帶來更多非線性，結果將產(chan) 生無用的電流諧波，並可能降低驅動效率。

因此，跨越電源電路和控製電路之間的隔離柵發送數據的方法不得在開關(guan) 過程中帶來時序的不確定性，並須具備較強的抗噪能力。

隔離器技術傳(chuan) 輸速率比較

隔離不得給整體(ti) 係統性能帶來任何顯著的時序不確定性或時序誤差。標準光耦合器的傳(chuan) 播延遲為(wei) 微秒級，可能因器件而異，因溫度和壽命而異。光耦合器技術在時序性能方麵存在一些根本的不足，而現代數字隔離器采用完全不同的運算原則，其速率也更高。

可以在有所折衷的情況下增加光耦合器的速率。光耦合器的工作原理是，將來自LED的光發送至一種光學透明的隔離材料，並用另一端的光電二極管檢測光。光耦合器的速度與(yu) 光電二極管檢波器的速率以及為(wei) 其二極管電容充電的時間直接相關(guan) 。減少傳(chuan) 播延遲的一種方法是增加發射的光量。通過提高LED電流，可以使延遲減少2或3倍，但其代價(jia) 是設備功耗會(hui) 增加，每個(ge) 數據通道最高將達50 mW。

提高速度的另一種辦法是通過使用更薄的隔離柵來減少光傳(chuan) 輸損耗。為(wei) 了維持相同的隔離能力，需要增加一層材料，但代價(jia) 是成本也將增高。更快的光耦合器比標準的低成本光耦合器要貴許多倍。

相反，數字隔離器則是采用標準的高速CMOS工藝，並搭載隔離式片內(nei) 微變壓器。其傳(chuan) 輸速率自然比光耦合器快很多。較高的速度是電路和設計與(yu) 生俱來的特點，不需要更複雜、成本更高的隔離材料也可實現更高的速度。變壓器可以以最高150 Mbps的傳(chuan) 輸速率傳(chuan) 遞數據，傳(chuan) 播延遲低至32 ns，功耗<5 mW，開關(guan) 速率為(wei) 25 kHz或以上。速度更快的另一個(ge) 好處是，通道間的匹配優(you) 於(yu) 5 ns，比標準光耦合器高出了一個(ge) 數量級，僅(jin) 以大約一半的單位通道成本即可實現比光耦合器快3至4倍的卓越性能。

隔離的抗噪性#p#分頁標題#e#

在電機驅動係統中，隔離還提供了一個(ge) 分離噪聲源的機會(hui) ，方法是以電流方式將噪聲從(cong) 功率開關(guan) 電路和控製電路之中隔離開來。以下各項之間有安全隔離需求：高壓總線、線路電壓和用戶界麵，以同時保護人、保護其他設備。還需要在功能上使高端開關(guan) 和低端開關(guan) 與(yu) 控製電路相隔離。隔離元件必須能提供必要的隔離，同時也需對嘈雜環境不敏感。

衡量隔離器分離地域之間高速噪聲的能力的指標一般稱為(wei) 共模瞬變抗擾度(CMTI)。CMTI旨在衡量一個(ge) 隔離器在隔離器數據通信不被噪聲打斷的情況下，對隔離柵中的電壓噪聲的抑製能力。其單位是kV/μs瞬變。

圖2. 光耦合器內(nei) 部結構。

圖3. 基於(yu) 變壓器的數字隔離器的結構。

電壓瞬變噪聲跨越隔離柵的路徑一般是寄生電容跨過隔離器中的隔離柵。光耦合器的CMTI一般較差，為(wei) 15 kV/μs。一些現代數字隔離器采用電容耦合數據隔離技術，其信號和共模噪聲使用同一路徑。基於(yu) 變壓器的隔離器(如ADI的iCoupler數字隔離器)的信號路徑不同於(yu) 噪聲路徑，其CMTI的值一般為(wei) 50 kV/μs或以上。

隔離材料和可靠性

數字隔離器采用晶圓CMOS工藝製造，僅(jin) 限於(yu) 常用的晶圓材料。非標準材料會(hui) 使生產(chan) 複雜化，導致可製造性變差且成本提高。常用的絕緣材料包括聚合物(如聚酰亞(ya) 胺PI，它可以旋塗成薄膜)和二氧化矽(SiO2)。二者均具有眾(zhong) 所周知的絕緣特性，並且已經在標準半導體(ti) 工藝中使用多年。聚合物是許多光耦合器的基礎，作為(wei) 高壓絕緣體(ti) 具有悠久的曆史。

安全標準通常規定1分鍾耐壓額定值(典型值2.5 kV rms至5 kV rms)和工作電壓(典型值125 V rms至400 V rms)。某些標準也會(hui) 規定更短的持續時間、電壓浪湧(如10 kV峰值並持續50 μs)作為(wei) 增強絕緣認證的一部分要求。聚合物/聚酰亞(ya) 胺隔離器可提供最好的隔離特性(見表1)。

表1. 隔離材料性能比較

聚酰亞(ya) 胺數字隔離器與(yu) 光耦合器類似，在典型工作電壓下，工作壽命超過電機，額定使用壽命為(wei) 50年。SiO2隔離器的工作壽命與(yu) 之接近，但是，對高能浪湧的保護能力卻較弱。

在高溫連續使用的情況下，影響光耦合器壽命的可能不是隔離材料的分解而是LED磨損。當溫度>85℃時，工作1萬(wan) 小時，光耦合器的電流傳(chuan) 輸比(CTR)將下降10%至20%。10萬(wan) 小時時，CTR可能會(hui) 下降一半或以上。

集成可能性

光耦合器LED和優(you) 化的光檢波器不兼容低成本CMOS技術。要集成帶去飽和檢測功能的柵極驅動、用∑-△ADC實現隔離電流檢測以及多向數據流等其他功能，就必須采用多芯片解決(jue) 方案，結果將使帶這些功能的光耦合器變得非常昂貴。采用CMOS技術和隔離式變壓器的數字隔離器可以隨著集成度的提高而自然而然地添加這些功能。由於(yu) 變壓器也可用來發射隔離功率，因此，可從(cong) 相同的封裝發射高端功率，而無需會(hui) 給某些應用帶來問題的自舉(ju) 。目前，市場上有基於(yu) 變壓器的數字隔離器，在單個(ge) 封裝中集成了dc/dc轉換器、∑-△ ADC、柵極驅動器、I2C、RS-485收發器、RS-232收發器和CAN收發器，使電機控製係統同時實現了尺寸和成本的優(you) 化。

實用的應用電路

展示了柵極驅動、通信和反饋信號隔離的典型驅動電路如圖4所示。在該係統中，隔離的∑-△ ADC用來測量電機繞組電流，數字位流則由電機控製IC上的數字過濾電路進行處理。位置編碼器包含一個(ge) ASIC，由其通過一個(ge) 隔離式RS-485接口將位置和速度數據發送給電機控製IC。其他隔離式串行接口包括連接PFC的I2C接口以及連接前麵板的隔離式RS-232鏈路。在此例中，PWM信號與(yu) 逆變器模塊隔離，IGBT由一個(ge) 嵌入該模塊中的電平轉換柵極驅動器驅動。

圖4. 典型的中型工業(ye) 電機驅動係統。


作者：Bob Briano，ADI公司營銷和應用經理；Aengus Murray，ADI公司電機和功率控製應用經理