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xiao除chu了le可ke靠kao性xing問wen題ti，改gai善shan了le絕jue緣yuan能neng力li，可ke與yu光guang耦ou合he器qi相xiang媲pi美mei。這zhe種zhong數shu字zi隔ge離li器qi的de優you勢shi是shi對dui高gao壓ya瞬shun變bian的de抗kang擾rao度du更geng強qiang，能neng夠gou更geng好hao地di滿man足zu電dian機ji控kong製zhi應ying用yong的de要yao求qiu。本ben文wen將jiang詳xiang細xi說shuo明ming此ci類lei新xin型xing數shu字zi隔ge離li器qi的de工gong作zuo原yuan理li，以yi及ji在zai上shang述shu應ying用yong中zhong其qi先xian進jin的de功gong能neng如ru何he勝sheng過guo光guang耦ou合he器qi。

 

應用

 

根據應用的性能和功率水平
，以及具體的控製和隔離方案，電機驅動有各種各樣的係統設計。圖1所(suo)示(shi)為(wei)逆(ni)變(bian)器(qi)或(huo)低(di)端(duan)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)常(chang)用(yong)的(de)隔(ge)離(li)通(tong)信(xin)框(kuang)圖(tu)。在(zai)該(gai)係(xi)統(tong)中(zhong)，控(kong)製(zhi)器(qi)電(dian)位(wei)與(yu)功(gong)率(lv)級(ji)相(xiang)同(tong)

，通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)被(bei)隔(ge)離(li)，因(yin)為(wei)這(zhe)通(tong)常(chang)是(shi)一(yi)個(ge)較(jiao)低(di)速(su)度(du)且(qie)較(jiao)簡(jian)單(dan)的(de)接(jie)口(kou)。在(zai)此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)中(zhong)，功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)低(di)端(duan)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)，這(zhe)些(xie)驅(qu)動(dong)器(qi)不(bu)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)
，因(yin)為(wei)其(qi)與(yu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)共(gong)享(xiang)同(tong)一(yi)接(jie)地(di)。高(gao)端(duan)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)以(yi)隔(ge)離(li)
，但(dan)也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)之(zhi)類(lei)的(de)技(ji)術(shu)，尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)電(dian)壓(ya)不(bu)是(shi)太(tai)高(gao)時(shi)。在(zai)此(ci)框(kuang)圖(tu)中(zhong)，電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)不(bu)使(shi)用(yong)隔(ge)離(li)
，直(zhi)接(jie)連(lian)到(dao)逆(ni)變(bian)器(qi)反(fan)饋(kui)。當(dang)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)較(jiao)高(gao)時(shi)，使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)會(hui)有(you)局(ju)限(xian)性(xing)。開(kai)關(guan)信(xin)號(hao)在(zai)電(dian)機(ji)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)額(e)外(wai)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)會(hui)淹(yan)沒(mei)用(yong)來(lai)監(jian)測(ce)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)的(de)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)，進(jin)而(er)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)電(dian)機(ji)失(shi)控(kong)。

 

對於較高性能驅動，例如工業電機和火車牽引電機中使用的大型多相驅動，將會需要隔離控製和通信，如圖2suoshi。zaicixitongkuangtuzhong，chuyukangzaohetigaotongxinsududeyuanyin
，kongzhihetongxinjunweiyugelizhadeanquance。yinweidianjikongzhimokuaiweiyugelizhadeanquance
，suoyiquanbuzhajiqudongqidouxuyaogeli。tedinggelidianyaheanquanyaoqiuyoujutijiagouhegelizhaweizhijueding。zaikuangtuzhong，nibianqifankuiyonglaibangzhukongzhidianjiqudong，shidianjikongzhizuizhongyaodefangmianzhiyi。rutusuoshi，nibianqifankuilianjiedaosanxiangjiaoliudianjideliangxiangzhongdedianliuceliangjiedianiV和iW。zaigelikongzhihetongxinxitongtuzhong
，nibianqifankuibixukuagelizhalianjie，guerzheliyexuyaogeli。zaixuduogaogonglvdianjiyingyongzhong，jiagouhuiyaoqiuduisanxiangdianjidegaodianyajinxingzengqianggeli，fangzhiyonghujiechudaogaodianya。cileizengqianggeliyingyongjuyoujidadegelidianyayaoqiu，kenengxuyaogeliqizengdaneibujueyuanhoudu（取決於材料）。

 

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dian壓ya瞬shun變bian和he電dian壓ya波bo形xing下xia，不bu同tong類lei型xing的de隔ge離li材cai料liao具ju有you不bu同tong的de絕jue緣yuan能neng力li。光guang耦ou合he器qi由you於yu絕jue緣yuan層ceng厚hou，耐nai壓ya能neng力li強qiang
，並bing且qie具ju有you數shu十shi年nian的de現xian場chang使shi用yong曆li史shi，成cheng為wei業ye界jie慣guan用yong的de經jing典dian高gao壓ya隔ge離li器qi。光guang耦ou合he器qi使shi用yong模mo塑su料liao作zuo為wei絕jue緣yuan介jie質zhi
，塑su料liao成cheng型xing工gong藝yi可ke能neng會hui在zai絕jue緣yuan層ceng中zhong產chan生sheng空kong隙xi
，這zhe會hui造zao成cheng部bu分fen放fang電dian並bing引yin起qi絕jue緣yuan失shi效xiao。由you於yu這zhe個ge原yuan因yin，認ren證zheng機ji構gou對dui絕jue緣yuan高gao壓ya測ce試shi的de要yao求qiu會hui包bao括kuo部bu分fen放fang電dian測ce試shi。與yu光guang耦ou合he器qi不bu同tong
，數shu字zi隔ge離li器qi利li用yong內nei部bu絕jue緣yuan層ceng作zuo為wei原yuan邊bian隔ge離li柵zha
，這zhe些xie絕jue緣yuan層ceng是shi在zai界jie定ding明ming確que且qie高gao度du受shou控kong的de半ban導dao體ti製zhi造zao工gong藝yi中zhong生sheng產chan的de。這zhe就jiu消xiao除chu了le絕jue緣yuan中zhong的de空kong隙xi
，絕jue緣yuan結jie構gou變bian得de簡jian單dan得de多duo，而er且qie更geng為wei魯lu棒bang。

 

數字隔離器不使用LED，不存在LED可ke靠kao性xing問wen題ti。隨sui著zhe工gong藝yi改gai進jin
，絕jue緣yuan層ceng厚hou度du和he組zu成cheng越yue來lai越yue優you化hua
，數shu字zi隔ge離li器qi也ye就jiu更geng加jia魯lu棒bang。某mou些xie數shu字zi隔ge離li器qi使shi用yong薄bo層ceng二er氧yang化hua矽gui來lai產chan生sheng高gao介jie電dian強qiang度du絕jue緣yuan，這zhe已yi廣guang泛fan用yong作zuo半ban導dao體ti芯xin片pian上shang的de絕jue緣yuan體ti。二er氧yang化hua矽gui絕jue緣yuan的de缺que點dian是shi它ta與yuIC構成一個整體，ICshousunshi，geliyekenengshousun。shiyongjuxianyaanjueyuankekefueryanghuaguidezhezhongxianzhi，juxianyaanbandaotigongyiyishiyongshushinian，kebangzhushixianqiangjiankekaodejichengdianlu。juxianyaanneibujueyuanshuyuhouqichuli
，juyoudulidewanzhengxing。ruguoIC受(shou)損(sun)，獨(du)立(li)的(de)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)絕(jue)緣(yuan)仍(reng)會(hui)完(wan)好(hao)無(wu)損(sun)。分(fen)多(duo)層(ceng)製(zhi)造(zao)時(shi)，聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)可(ke)用(yong)作(zuo)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)應(ying)用(yong)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)的(de)增(zeng)強(qiang)絕(jue)緣(yuan)。使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)製(zhi)造(zao)商(shang)提(ti)供(gong)全(quan)壽(shou)命(ming)數(shu)據(ju)，以(yi)證(zheng)明(ming)器(qi)件(jian)的(de)時(shi)間(jian)、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)電機控製（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)係統和通信（RTOS
、協議和堆棧）Command and Network命令和網絡圖1.隔離通信電機控製框圖

 

 

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)電機控製（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)係統和通信（RTOS
、協議和堆棧）Command and Network命令和網絡圖2.隔離控製和通信電機控製框圖

 

環境

 

電dian機ji控kong製zhi應ying用yong的de環huan境jing條tiao件jian可ke能neng包bao括kuo極ji端duan溫wen度du和he濕shi度du。以yi列lie車che牽qian引yin電dian機ji為wei例li可ke以yi說shuo明ming其qi中zhong的de一yi些xie極ji端duan情qing況kuang。假jia設she機ji車che發fa動dong機ji在zai寒han冷leng的de冬dong日ri裏li牽qian引yin著zhe一yi長chang串chuan滿man載zai車che廂xiang在zai山shan區qu鐵tie軌gui上shang行xing駛shi。環huan境jing溫wen度du可ke能neng低di於yu−40°C，電dian機ji暴bao露lu在zai嚴yan寒han的de室shi外wai空kong氣qi中zhong，這zhe時shi列lie車che進jin入ru一yi條tiao長chang長chang的de隧sui道dao，由you於yu發fa動dong機ji產chan生sheng的de熱re量liang，電dian機ji和he發fa動dong機ji周zhou圍wei的de溫wen度du可ke能neng會hui迅xun速su上shang升sheng。電dian機ji及ji其qi絕jue緣yuan體ti必bi須xu能neng在zai這zhe種zhong極ji端duan溫wen度du下xia工gong作zuo

，而er且qie能neng克ke服fu時shi間jian推tui移yi和he溫wen度du變bian化hua帶dai來lai的de不bu利li影ying響xiang。眾zhong所suo周zhou知zhi，光guang耦ou合he器qi的de性xing能neng會hui隨sui著zhe溫wen度du變bian化hua而er降jiang低di，其qi內nei部buLED產chan生sheng的de光guang量liang和he檢jian測ce器qi獲huo得de的de輸shu出chu信xin號hao會hui隨sui著zhe時shi間jian推tui移yi和he溫wen度du變bian化hua而er減jian少shao。用yong作zuo多duo通tong道dao隔ge離li器qi時shi，光guang耦ou合he器qi的de通tong道dao間jian失shi配pei會hui隨sui著zhe時shi間jian推tui移yi而er增zeng大da。相xiang比bi之zhi下xia，數shu字zi隔ge離li器qi不bu依yi賴lai於yu檢jian測ce內nei部buLED的信號，而是利用半導體IC工藝製造可靠的電路，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3zhongdeshilikuangtusuoshi。genjujutijiagou
，shuzigeliqixiangyingshuruluojidianpinghuoshurumaichong。keshiyongbutongfangfabianmahejiemaxinhao
，yibiankuayuegelizhashoufaluojishuju。maichongbianmajishurutu4所示，其優點是當編碼和解碼脈衝之間的時間較長時
，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於脈衝編碼方法。在較高數據速率（10 Mbps以上）時
，OOK方法消耗的電源電流少於脈衝編碼技術。OOK技術相比於脈衝編碼技術的優勢在於，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。脈衝編碼技術的缺點是：如(ru)果(guo)外(wai)部(bu)噪(zao)聲(sheng)擾(rao)亂(luan)了(le)輸(shu)出(chu)數(shu)據(ju)
，這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)況(kuang)會(hui)持(chi)續(xu)一(yi)微(wei)秒(miao)或(huo)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)，直(zhi)至(zhi)內(nei)部(bu)糾(jiu)錯(cuo)邏(luo)輯(ji)糾(jiu)正(zheng)錯(cuo)誤(wu)或(huo)出(chu)現(xian)新(xin)的(de)數(shu)據(ju)沿(yan)。對(dui)於(yu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)應(ying)用(yong)，這(zhe)可(ke)能(neng)意(yi)味(wei)著(zhe)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)開(kai)關(guan)或(huo)反(fan)饋(kui)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)會(hui)在(zai)一(yi)定(ding)時(shi)間(jian)內(nei)失(shi)控(kong)，該(gai)時(shi)間(jian)足(zu)夠(gou)長(chang)

，以(yi)至(zhi)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)或(huo)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)可(ke)能(neng)受(shou)損(sun)。利(li)用(yong)OOK技ji術shu，如ru果guo電dian壓ya瞬shun變bian擾rao亂luan數shu據ju，這zhe種zhong擾rao亂luan隻zhi會hui在zai噪zao聲sheng出chu現xian的de短duan暫zan時shi間jian內nei幹gan擾rao數shu據ju輸shu出chu
，因yin為wei信xin號hao是shi被bei持chi久jiu不bu變bian地di驅qu動dong的de。此ci外wai
，由you於yu架jia構gou較jiao簡jian單dan，OOK數字隔離器可以設計得非常魯棒
，不懼電機控製應用中的電氣噪聲。

 

圖3.數字隔離器框圖

 

圖4.數字隔離器：脈衝編碼數據架構

 

圖5.數字隔離器：開關鍵控數據架構

 

抗擾度

 

在zai大da型xing電dian機ji應ying用yong中zhong
，當dang電dian機ji控kong製zhi開kai關guan電dian路lu在zai橋qiao電dian壓ya中zhong產chan生sheng步bu進jin變bian化hua時shi，隔ge離li柵zha上shang的de共gong模mo電dian壓ya變bian化hua可ke能neng會hui產chan生sheng噪zao聲sheng。隔ge離li器qi耐nai受shou此ci高gao壓ya擺bai率lv電dian壓ya瞬shun變bian且qie隔ge離li器qi輸shu出chu不bu受shou幹gan擾rao的de能neng力li，便bian是shi共gong模mo瞬shun變bian抗kang擾rao度du(CMTI)。光耦合器的CMTI可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)很(hen)高(gao)，因(yin)為(wei)其(qi)接(jie)收(shou)元(yuan)件(jian)非(fei)常(chang)敏(min)感(gan)，易(yi)受(shou)容(rong)性(xing)耦(ou)合(he)效(xiao)應(ying)影(ying)響(xiang)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)容(rong)性(xing)耦(ou)合(he)是(shi)一(yi)種(zhong)單(dan)端(duan)結(jie)構(gou)，信(xin)號(hao)和(he)噪(zao)聲(sheng)隻(zhi)有(you)一(yi)條(tiao)路(lu)徑(jing)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)。這(zhe)就(jiu)要(yao)求(qiu)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)必(bi)須(xu)遠(yuan)高(gao)於(yu)預(yu)期(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)頻(pin)率(lv)
，以(yi)便(bian)隔(ge)離(li)柵(zha)電(dian)容(rong)對(dui)信(xin)號(hao)提(ti)供(gong)低(di)阻(zu)抗(kang)，而(er)對(dui)噪(zao)聲(sheng)提(ti)供(gong)高(gao)阻(zu)抗(kang)。當(dang)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)較(jiao)低(di)時(shi)（通常低於16 kHz），共模瞬變的高頻成分會高於信號頻率，其幅度可能足以擾亂光耦合器輸出。考察圖6suoshidejiyubianyaqideshuzigeliqi，bianyaqiyouyigechafenshurujiegou

，qiweishuruxinhaohezaoshengtigonglebutongdechuanshulujing，yincibiranjuyougengdadegongmozaoshengkangraodu，erqiebucunzaiguangouheqiyaoqiuxinhaopinlvgaoyuzaoshengpinlvdexianzhi。gaijindedianqizaoshengkangraodushideqijiannengzaigaozaoshenghuanjingxiakekaodigongzuo。tu7顯示了電機控製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幹擾。示波器波形顯示
，對於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)須高於150 kV/μs，而且隔離器輸出受擾亂的時間非常之短，隻有區區3 ns。實現超高CMTI的關鍵在於發送器必須不斷產生差分載波信號
，並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.電機控製應用中的共模瞬變dV/dt

 

浪湧保護能力

 

電機控製應用中可能出現高壓瞬變或浪湧，此類浪湧的峰值可能超過10,000 V
，而上升時間僅有1.2 μs。guangouheqitongguohenhoudeneibujueyuancenglaimanzulangyongbaohuyaoqiu。duiyucaiyongeryanghuaguideshuzigeliqi，weishineibuyinglibuzhiyinqiliefeng，kezhichengdejueyuanhoudushiyouxianzhide。caiyongjuxianyaandeshuzigeliqijueyuankeyigaishanlangyongbaohunengli，fenweiduocengzhizaoqiezonghouduwei30 μm的聚酰亞胺絕緣業已證明非常有效。在圖8中
，30 μm聚酰亞胺的浪湧測試結果表明它非常魯棒，可以耐受±20 kV峰值。

 

圖8.聚酰亞胺絕緣浪湧測試結果

 

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於光耦合器。對於擾亂電機控製的電壓瞬變
，光耦合器的抗擾度(CMTI)最小值隻有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，以及在電機控製應用中其先進的功能如何勝過光耦合器。

 

表1.電機控製應用的隔離器比較

 

 

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