在惡劣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)境中使用魯棒的數(shù)字隔離器

簡(jiǎn)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(duì)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(huì)隨著時(shí)間推移和溫度變化 而降低,這就會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)和可靠性問(wèn)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(wèn)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(shì) 是對(duì)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(shuō)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(guò)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(dòng)有各種各樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖1所示為逆變器或低端電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jí)相同,通信接口被隔離,因?yàn)檫@通常是一個(gè)較低速度且較簡(jiǎn)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(dòng) 器,這些驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)。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(shí),使用這種架構(gòu)會(huì)有局限性。開關(guān)信號(hào)在電機(jī)上產(chǎn)生的額外 噪聲可能會(huì)淹沒用來(lái)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流的反饋信號(hào),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(duì)于較高性能驅(qū)動(dòng),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(dòng),將會(huì)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(dòng)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(lái)幫助控制電機(jī)驅(qū)動(dòng),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(cè)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(huì)要求對(duì) 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(chǎng)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(huì)在絕緣層中產(chǎn)生空隙,這會(huì)造成部分放電并引起絕緣失效。 由于這個(gè)原因,認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)絕緣高壓測(cè)試的要求會(huì)包括部分放 電測(cè)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(jiǎn)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(wèn)題。隨著工藝改進(jìn),絕緣層厚度和組成越來(lái)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(lái)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(gè)整體,IC受損時(shí),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(huì)完好無(wú)損。分多層制造 時(shí),聚酰亞胺可用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)間、溫度、濕度和電壓性能能夠應(yīng)對(duì)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(shuō)明其中的一些極端情況。假設(shè)機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)在寒冷的冬日里牽引著一長(zhǎng)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(shí)列車進(jìn)入一條長(zhǎng)長(zhǎng)的隧道,由于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量,電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī) 周圍的溫度可能會(huì)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(shí)間推移和溫度變化帶來(lái)的不利影 響。眾所周知,光耦合器的性能會(huì)隨著溫度變化而降低,其內(nèi)部LED產(chǎn)生的光量和檢測(cè)器獲得的輸出信號(hào)會(huì)隨著時(shí)間推移和溫 度變化而減少。用作多通道隔離器時(shí),光耦合器的通道間失配 會(huì)隨著時(shí)間推移而增大。相比之下,數(shù)字隔離器不依賴于檢測(cè)內(nèi)部LED的信號(hào),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(hào)。

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。可使用不同方 法編碼和解碼信號(hào),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(shí)間較長(zhǎng) 時(shí),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(shí)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(shí),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(shì)在于,OOK技術(shù)的邏輯更簡(jiǎn)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(huì)持續(xù)一微秒或更長(zhǎng)時(shí)間,直至內(nèi)部糾錯(cuò)邏 輯糾正錯(cuò)誤或出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)沿。對(duì)于電機(jī)控制應(yīng)用,這可能意 味著柵極驅(qū)動(dòng)器開關(guān)或反饋控制信號(hào)會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)失控,該 時(shí)間足夠長(zhǎng),以至于開關(guān)電路或電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(huì)在噪聲出現(xiàn)的短 暫時(shí)間內(nèi)干擾數(shù)據(jù)輸出,因?yàn)樾盘?hào)是被持久不變地驅(qū)動(dòng)的。此 外,由于架構(gòu)較簡(jiǎn)單,OOK數(shù)字隔離器可以設(shè)計(jì)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?cái)?shù)據(jù)架構(gòu)