在電機應用的惡劣環境中，需要堅固的數字隔離器。這些非常困難的環境要求對高壓瞬變的抗擾度，這些瞬變會導致數據混亂，以及高壓電應力對隔離器隔離壽命的影響。在這些應用中，典型的隔離解決方案是光耦合器，由于其厚厚的內部絕緣層，其可承受高電壓。光耦合器的缺點是它們使用的發光二極管（LED）會隨著時間的推移而失去光強度并隨溫度變化，從而產生設計和可靠性問題。有新的、更強大的數字隔離器，無需使用 LED及其可靠性問題，并具有改進的絕緣能力，以與光耦合器競爭。這些數字隔離器具有提高對高壓瞬變的抗擾度的優點，這是電機控制應用的要求。本文將詳細介紹這些新型數字隔離器的工作原理，以及它們的高級功能在這些應用中如何優于光耦合器。

應用

電機驅動器有一系列系統設計，具體取決于應用的性能和功率水平，以及 特定的控制和隔離方案。圖1顯示了通常用于逆變器或低端電機的隔離通信框圖 驅動器。在該系統中，控制器位于與功率級相同的電位上，通信接口被隔離，因為這通常是一個速度較低且更簡單的接口。在這些系統中，電源逆變器可能具有不需要隔離的低側柵極驅動器，因為它們與電機控制塊共享同一接地。高端驅動器可以隔離，但也可以使用電平轉換等技術，特別是在電源逆變器電壓電平不太高的情況下。在此框圖中，電機控制器直接連接到逆變器反饋，無需使用隔離。這種架構在更高的功率水平下使用時有局限性。電機開關信號產生的額外噪聲可能會壓倒用于監控電機電流的反饋信號，并可能導致電機失控。

對于更高性能的驅動器，例如，工業電機中使用的大型多相驅動器和火車中使用的牽引電機 - 隔離 需要控制和通信，如圖2所示。在此系統框圖中，出于抗噪性和更高通信速度的原因，控制和通信一起位于隔離柵的安全側。既然電機控制塊位于隔離柵的安全側，那么所有柵極驅動器都需要隔離。具體的隔離電壓和安全要求由詳細的架構和隔離柵位置決定。在框圖中，逆變器反饋用于幫助控制電機驅動，是電機控制中最關鍵的領域之一。逆變器反饋如圖所示，連接到電流測量節點iV和我W在兩相三相交流電動機中。在隔離控制和通信系統圖中，逆變器反饋必須跨越隔離連接 障礙;因此，這里也需要隔離。在許多高功率電動機應用中，該架構需要加強與三相電動機高壓的隔離，以保護用戶免受高壓影響。這些增強型應用具有最大的隔離電壓要求，可能需要隔離器 根據材料的不同，具有更大的內部絕緣厚度。

絕緣

隔離器的絕緣能力是其在其工作壽命內承受高電壓的能力。各種隔離材料類型將 在環境條件、電壓瞬變和電壓波形下具有不同的功能。光耦合器一直是傳統的 高壓隔離器由于其厚絕緣、高耐壓能力和數十年的現場經驗。光耦合器使用塑料 成型作為絕緣層，工藝中可包括絕緣層中的空隙，引起局部放電，并導致絕緣失效。 因此，絕緣高壓測試的機構認證要求將包括局部放電測試。與光耦合器不同，數字隔離器使用在定義明確且高度受控的半導體制造工藝中產生的絕緣內層作為其初級隔離柵。這消除了絕緣中的空隙，使絕緣結構更簡單、更堅固。數字隔離器消除了LED的使用及其可靠性問題，并且通過工藝改進使其更加堅固，以增加絕緣層厚度和成分。一些數字隔離器使用薄層中的二氧化硅來產生具有高介電強度的絕緣層，該絕緣層已被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是IC的組成部分，IC的損壞會損壞隔離。二氧化硅的這種局限性可以通過使用聚酰亞胺絕緣來解決，聚酰亞胺絕緣是一種半導體工藝，幾十年來一直用于幫助提供集成電路的強度和穩定性。聚酰亞胺內部絕緣是一個后處理，具有獨立的完整性。如果IC損壞，獨立的聚酰亞胺絕緣將保持完整。當多層制造時，聚酰亞胺可用作增強絕緣材料，這在電機驅動應用中可能需要。使用數字隔離器的工程師需要制造商提供的壽命數據，以顯示器件隨時間、溫度、濕度和電壓的變化情況，以應對更換光耦合器的挑戰。

圖1.隔離通信電機控制框圖。

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具有較大的極端溫度和濕度。火車牽引電機的例子可以說明其中的一些極端情況，在這種情況下，機車發動機可能在寒冷的冬日將一列滿載的汽車拉上山軌。環境溫度可能低于-40°C，電動機可能暴露在外部空氣中，但隨后火車可能會進入長隧道，并且電動機和發動機周圍的溫度可能會由于發動機的熱量而迅速升高。電機及其絕緣體需要能夠在這些極端溫度下運行，并且不會隨著時間的推移和溫度產生不利影響。光耦合器以其隨溫度下降的性能變化而聞名，內部LED產生的光較少，而檢波器隨時間和溫度變化獲得的輸出信號較少。當用作多通道隔離器時，光耦合器的通道失配會隨著時間的推移而增加。相比之下，數字隔離器不依賴于檢測來自內部LED的信號，而是使用半導體IC工藝作為可靠的電路，以跨越隔離柵發送和接收數字信號。

數字隔離器

數字隔離器結構的技術如圖3所示。數字隔離器響應輸入邏輯電平或邏輯脈沖，具體取決于架構。有不同的方法可用于編碼和解碼信號，以跨越隔離柵發送和接收邏輯數據。如圖4所示的脈沖編碼技術的優點是，當編碼和解碼脈沖之間的時間較長時，在低數據速率下消耗低電源電流。圖5所示的載波技術稱為開-關鍵控（OOK），在低數據速率下比脈沖編碼方法消耗更多的電流。在更高的數據速率下（10 Mbps以上） OOK方法消耗的電源電流比脈沖編碼技術少。與脈沖編碼技術相比，OOK技術的優勢在于OOK技術具有更簡單的邏輯，從而產生更低的傳播延遲和更高的最大數據速率。脈沖編碼技術的缺點是，如果外部噪聲導致輸出數據被打亂，這可能會持續一微秒或更長時間，直到內部糾錯或出現新的數據邊沿。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可能會失控足夠長的時間，以至于開關電路或電機驅動器可能會損壞。使用OOK技術，如果數據擾動是由電壓瞬變引起的，則擾動可能僅在噪聲發生的短時間內干擾數據輸出，因為信號是不斷驅動的。此外，由于架構更簡單，OOK數字隔離器可以設計為對電機控制應用中產生的電噪聲具有很強的魯棒性。

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

抗噪性

大型電機應用中的噪聲可能由隔離柵兩端的共模電壓變化產生，當 電機控制開關電路會在電橋電壓中產生階躍變化。隔離器承受這種高壓擺率電壓瞬變而不使隔離器輸出發生擾動的能力定義為共模瞬變抗擾度（CMTI）。光耦合器的CMTI 可能不是很高，因為它具有非常敏感的接收器元件，容易產生電容耦合效應。光耦合器的容性耦合是單端結構，信號和噪聲只有一條路徑穿過隔離柵。這要求信號頻率遠高于噪聲的預期頻率，以便勢壘電容對信號具有低阻抗，對噪聲具有高阻抗。在電機控制信號的低信號頻率（通常小于16 kHz）下，共模瞬變的高頻分量將高于信號頻率，并且幅度可能足以擾亂光耦合器的輸出。以圖6中基于變壓器的數字隔離器為例，變壓器具有差分輸入結構，為輸入信號和噪聲提供不同的傳輸路徑，其固有地對共模噪聲具有更大的抗擾度，而沒有光耦合器對信號頻率高于噪聲頻率的限制。提高對電噪聲的抗擾度，可在高噪聲環境中可靠運行。圖7顯示了高電橋電壓和共模瞬變的快速dV/dt的開關噪聲，數字隔離器在電機控制開關期間需要不受干擾。示波器波形顯示，對于采用變壓器耦合數字隔離器的開關鍵控架構，GND需要超過150 kV/μs的非常快速的共模瞬變（CMT）2到接地1導致數據擾動，隔離器輸出只會在3 ns的極短時間內擾動。實現非常高的CMTI的關鍵是發射器必須不斷產生差分載波信號，并且接收器必須具有高電平 不受輸入共模變化的影響。

圖6.變壓器耦合數字隔離器示意圖

圖7.電機控制應用中的共模瞬態 dV/dt。

浪涌能力

電機控制應用中可能發生高壓瞬變或浪涌，這些浪涌的峰值可能超過10，000 V，上升時間 僅1.2μs。光耦合器具有厚厚的內部絕緣層，因此可以滿足承受這些浪涌的要求。使用二氧化硅的數字隔離器對絕緣層的厚度有限制，而不會產生內部應力導致開裂。使用聚酰亞胺的數字隔離器中的絕緣可以提高其浪涌能力，當聚酰亞胺絕緣層以總厚度為30μm的多層制成時，這已被證明非常有效。在圖8中，30μm聚酰亞胺的浪涌測試結果顯示，它非常堅固，可以承受±20 kV峰值。

圖8.聚酰亞胺絕緣浪涌測試結果。

總結

表1中的隔離器比較顯示了數字隔離器在惡劣環境下如何比光耦合器提高性能 電動機應用。光耦合器的抗擾度（CMTI）最小僅為10 kV/μs，但數字隔離器的抗擾度要高出許多倍 對導致電機控制紊亂的電壓瞬變的抗擾度高于光耦合器。雖然光耦合器及其LED老化問題通常僅限于85°C工作，但數字隔離器將在高達125oC的高溫下工作。本文介紹了這些數字隔離器的工作原理，以及它們的高級功能在電機控制應用中如何優于光耦合器。

表 1.電機控制應用隔離器比較

審核編輯：郭婷