電源電路中,電源開關和寄生元件的非理想行為也會產生感性耦合噪聲。控製電路與電機和傳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統方法。盡管光耦合器已使用數十年,其不足也會影響係統級性能。

 

變(bian)速(su)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)在(zai)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)要(yao)歸(gui)功(gong)於(yu)高(gao)效(xiao)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)和(he)具(ju)有(you)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)的(de)電(dian)子(zi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)。設(she)計(ji)上(shang)的(de)困(kun)難(nan)則(ze)是(shi)用(yong)低(di)壓(ya)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)耦(ou)合(he)高(gao)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu),而不犧牲抗噪性能或開關速度。

 

圖1. 包括寄生元件的逆變器電路。

 

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

 

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是IC工作電壓從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。這種傳統的噪聲過濾方法通常不太適用,因為往往需要維持驅動係統的帶寬,而帶寬一般都是一個關鍵的性能參數。

 

 

三相逆變器是一種功率電子開關電路，控製功率從直流供電軌到三個交流電機繞組的流動。逆變器有三條相同的腿
，每條腿包括兩個IGBT晶體管和兩個二極管，如圖1所suo示shi。每mei個ge電dian機ji繞rao組zu均jun連lian接jie至zhi通tong過guo分fen流liu器qi連lian接jie高gao端duan晶jing體ti管guan和he低di端duan晶jing體ti管guan的de同tong一yi節jie點dian。逆ni變bian器qi使shi電dian機ji繞rao組zu在zai直zhi流liu總zong線xian的de高gao壓ya軌gui和he低di壓ya軌gui之zhi間jian切qie換huan，以yi控kong製zhi平ping均jun電dian壓ya。繞rao組zu具ju有you極ji高gao的de電dian感gan性xing，將jiang阻zu擋dang電dian流liu的de變bian化hua，因yin此ci，當dang功gong率lv晶jing體ti管guan關guan閉bi時shi
，電dian流liu將jiang開kai始shi在zai連lian接jie至zhi相xiang反fan電dian源yuan軌gui的de二er極ji管guan中zhong流liu動dong。這zhe樣yang，即ji使shi逆ni變bian器qi功gong率lv設she備bei和he直zhi流liu鏈lian路lu電dian容rong中zhong存cun在zai斷duan續xu傳chuan導dao，也ye會hui有you電dian流liu連lian續xu流liu到dao電dian機ji繞rao組zu中zhong。電dian機ji繞rao組zu阻zu抗kang充chong當dang來lai自zi逆ni變bian器qi的de高gao壓ya脈mai衝chong寬kuan度du調tiao製zhi方fang波bo輸shu出chu電dian壓ya的de低di通tong濾lv波bo器qi。將jiang低di壓ya控kong製zhi電dian流liu連lian接jie至zhi逆ni變bian器qi時shi存cun在zai巨ju大da的de困kun難nan。一yi個ge基ji本ben問wen題ti是shi
，高gao端duan晶jing體ti管guan發fa射she器qi節jie點dian在zai高gao壓ya總zong線xian高gao供gong電dian軌gui與yu低di供gong電dian軌gui之zhi間jian切qie換huan。首shou先xian
，高gao端duan驅qu動dong器qi必bi須xu能neng夠gou驅qu動dong相xiang對dui於yu一yi個ge發fa射she器qi(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。當功率晶體管或二極管的開關頻率超過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(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)和(he)部(bu)件(jian)電(dian)感(gan)會(hui)導(dao)致(zhi)振(zhen)鈴(ling)
，結(jie)果(guo)使(shi)設(she)備(bei)開(kai)關(guan)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)脈(mai)衝(chong)的(de)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)變(bian)長(chang)。甚(shen)至(zhi)電(dian)機(ji)電(dian)纜(lan)的(de)高(gao)頻(pin)阻(zu)抗(kang)也(ye)可(ke)能(neng)帶(dai)來(lai)問(wen)題(ti)，因(yin)為(wei)出(chu)於(yu)安(an)全(quan)考(kao)慮(lv)，配(pei)電(dian)板(ban)可(ke)能(neng)離(li)電(dian)機(ji)很(hen)遠(yuan)。其(qi)他(ta)效(xiao)應(ying)包(bao)括(kuo)噪(zao)聲(sheng)從(cong)電(dian)機(ji)耦(ou)合(he)到(dao)反(fan)饋(kui)傳(chuan)感(gan)器(qi)信(xin)號(hao)中(zhong)
，其(qi)原(yuan)因(yin)是(shi)快(kuai)速(su)切(qie)換(huan)的(de)繞(rao)組(zu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)。問(wen)題(ti)將(jiang)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)嚴(yan)重(zhong)，因(yin)為(wei)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)率(lv)額(e)定(ding)值(zhi)將(jiang)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)物(wu)理(li)尺(chi)寸(cun)，結(jie)果(guo)將(jiang)進(jin)一(yi)步(bu)增(zeng)加(jia)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)

，甚(shen)至(zhi)提(ti)高(gao)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)開(kai)關(guan)速(su)率(lv)。

 

通tong過guo隔ge離li控kong製zhi和he電dian源yuan電dian路lu消xiao除chu噪zao聲sheng耦ou合he現xian象xiang，是shi應ying對dui這zhe一yi問wen題ti的de主zhu要yao工gong具ju之zhi一yi。隔ge離li電dian路lu的de性xing能neng是shi決jue定ding驅qu動dong性xing能neng的de一yi個ge關guan鍵jian因yin素su。在zai轉zhuan軸zhou轉zhuan動dong時shi，轉zhuan軸zhou位wei置zhi編bian碼ma器qi將jiang產chan生sheng頻pin率lv為wei100 kHz或以上的數字脈衝流。然而
，在許多情況下，編碼器上安裝的電路會提高設備的精度，並使數據速率增加到10 Mbps以yi上shang。另ling外wai，跨kua越yue分fen流liu器qi的de反fan饋kui信xin號hao也ye可ke以yi隔ge離li，方fang法fa是shi先xian把ba數shu據ju轉zhuan換huan成cheng數shu字zi位wei流liu，然ran後hou把ba該gai位wei流liu與yu低di功gong耗hao電dian路lu隔ge離li開kai來lai。這zhe種zhong情qing況kuang下xia，數shu據ju速su率lv為wei10 Mbps至20 Mbps。柵極驅動電路所需要的開關性能似乎並不高，因為電機驅動逆變器的開關速率很少超過20 kHz。然ran而er，需xu要yao在zai高gao端duan設she備bei和he低di端duan設she備bei的de開kai關guan信xin號hao之zhi間jian插cha入ru一yi個ge死si區qu，以yi防fang止zhi發fa生sheng直zhi通tong。死si區qu為wei功gong率lv開kai關guan的de開kai啟qi和he關guan閉bi延yan遲chi以yi及ji隔ge離li電dian路lu所suo致zhi延yan遲chi的de不bu確que定ding性xing的de函han數shu。死si區qu延yan長chang會hui給gei逆ni變bian器qi傳chuan遞di函han數shu帶dai來lai更geng多duo非fei線xian性xing，結jie果guo將jiang產chan生sheng無wu用yong的de電dian流liu諧xie波bo，並bing可ke能neng降jiang低di驅qu動dong效xiao率lv。因yin此ci，跨kua越yue電dian源yuan電dian路lu和he控kong製zhi電dian路lu之zhi間jian的de隔ge離li柵zha發fa送song數shu據ju的de方fang法fa不bu得de在zai開kai關guan過guo程cheng中zhong帶dai來lai時shi序xu的de不bu確que定ding性xing，並bing須xu具ju備bei較jiao強qiang的de抗kang噪zao能neng力li。

 

 

gelibudegeizhengtixitongxingnengdailairenhexianzhudeshixubuquedingxinghuoshixuwucha。biaozhunguangouheqidechuanboyanchiweiweimiaoji
，kenengyinqijianeryi，yinwenduheshoumingeryi。guangouheqijishuzaishixuxingnengfangmiancunzaiyixiegenbendebuzu，erxiandaishuzigeliqicaiyongwanquanbutongdeyunsuanyuanze，qisulvyegenggao。keyizaiyousuozhezhongdeqingkuangxiazengjiaguangouheqidesulv。guangouheqidegongzuoyuanlishi
，jianglaiziLED的(de)光(guang)發(fa)送(song)至(zhi)一(yi)種(zhong)光(guang)學(xue)透(tou)明(ming)的(de)隔(ge)離(li)材(cai)料(liao)，並(bing)用(yong)另(ling)一(yi)端(duan)的(de)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)檢(jian)測(ce)光(guang)。光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)速(su)度(du)與(yu)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)檢(jian)波(bo)器(qi)的(de)速(su)率(lv)以(yi)及(ji)為(wei)其(qi)二(er)極(ji)管(guan)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)的(de)時(shi)間(jian)直(zhi)接(jie)相(xiang)關(guan)。減(jian)少(shao)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)增(zeng)加(jia)發(fa)射(she)的(de)光(guang)量(liang)。通(tong)過(guo)提(ti)高(gao)LED電流，可以使延遲減少2或3倍
，但其代價是設備功耗會增加，每個數據通道最高將達50 mW。tigaosududelingyizhongbanfashitongguoshiyonggengbodegelizhalaijianshaoguangchuanshusunhao。weileweichixiangtongdegelinengli
，xuyaozengjiayicengcailiao，dandaijiashichengbenyejiangzenggao。gengkuaideguangouheqibibiaozhundedichengbenguangouheqiyaoguixuduobei。

 

相反
，數字隔離器則是采用標準的高速CMOS工藝，並搭載隔離式片內微變壓器。其傳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的傳輸速率傳遞數據，傳播延遲低至32 ns，功耗<5 mW，開關速率為25 kHz或以上。速度更快的另一個好處是
，通道間的匹配優於5 ns
，比標準光耦合器高出了一個數量級，僅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。

 

圖2. 光耦合器內部結構

 

圖3. 基於變壓器的數字隔離器的結構

 

 

在(zai)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)中(zhong)
，隔(ge)離(li)還(hai)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)分(fen)離(li)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)的(de)機(ji)會(hui)，方(fang)法(fa)是(shi)以(yi)電(dian)流(liu)方(fang)式(shi)將(jiang)噪(zao)聲(sheng)從(cong)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)電(dian)路(lu)和(he)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)之(zhi)中(zhong)隔(ge)離(li)開(kai)來(lai)。以(yi)下(xia)各(ge)項(xiang)之(zhi)間(jian)有(you)安(an)全(quan)隔(ge)離(li)需(xu)求(qiu)：高壓總線
、線路電壓和用戶界麵

，以同時保護人

、保(bao)護(hu)其(qi)他(ta)設(she)備(bei)。還(hai)需(xu)要(yao)在(zai)功(gong)能(neng)上(shang)使(shi)高(gao)端(duan)開(kai)關(guan)和(he)低(di)端(duan)開(kai)關(guan)與(yu)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)相(xiang)隔(ge)離(li)。隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)必(bi)須(xu)能(neng)提(ti)供(gong)必(bi)要(yao)的(de)隔(ge)離(li)
，同(tong)時(shi)也(ye)需(xu)對(dui)嘈(cao)雜(za)環(huan)境(jing)不(bu)敏(min)感(gan)。

 

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共模瞬變抗擾度(CMTI)。CMTI旨在衡量一個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。

 

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。基於變壓器的隔離器(如ADI的iCoupler數字隔離器)的信號路徑不同於噪聲路徑
，其CMTI的值一般為50 kV/μs或以上。

 

 

數字隔離器采用晶圓CMOS工藝製造，僅限於常用的晶圓材料。非標準材料會使生產複雜化，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(如聚酰亞胺PI，它可以旋塗成薄膜)和二氧化矽(SiO2)。二er者zhe均jun具ju有you眾zhong所suo周zhou知zhi的de絕jue緣yuan特te性xing
，並bing且qie已yi經jing在zai標biao準zhun半ban導dao體ti工gong藝yi中zhong使shi用yong多duo年nian。聚ju合he物wu是shi許xu多duo光guang耦ou合he器qi的de基ji礎chu，作zuo為wei高gao壓ya絕jue緣yuan體ti具ju有you悠you久jiu的de曆li史shi。

 

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)作為增強絕緣認證的一部分要求。聚合物/聚酰亞胺隔離器可提供最好的隔離特性(見表1)。聚酰亞胺數字隔離器與光耦合器類似，在典型工作電壓下
，工作壽命超過電機，額定使用壽命為50年。SiO2隔離器的工作壽命與之接近，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°C時，工作1萬小時，光耦合器的電流傳輸比(CTR)將下降10%至20%。10萬小時時，CTR可能會下降一半或以上。

 

表1. 隔離材料性能比較

 

 

光耦合器LED和優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Σ-Δ 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(ji)術(shu)和(he)隔(ge)離(li)式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)可(ke)以(yi)隨(sui)著(zhe)集(ji)成(cheng)度(du)的(de)提(ti)高(gao)而(er)自(zi)然(ran)而(er)然(ran)地(di)添(tian)加(jia)這(zhe)些(xie)功(gong)能(neng)。由(you)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)也(ye)可(ke)用(yong)來(lai)發(fa)射(she)隔(ge)離(li)功(gong)率(lv)
，因(yin)此(ci)，可(ke)從(cong)相(xiang)同(tong)的(de)封(feng)裝(zhuang)發(fa)射(she)高(gao)端(duan)功(gong)率(lv)，而(er)無(wu)需(xu)會(hui)給(gei)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)帶(dai)來(lai)問(wen)題(ti)的(de)自(zi)舉(ju)。目(mu)前(qian)，市(shi)場(chang)上(shang)有(you)基(ji)於(yu)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)



，在(zai)單(dan)個(ge)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)集(ji)成(cheng)了(le)dc/dc轉換器
、Σ-Δ 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化。

 

 

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Σ-Δ 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ASIC
，由其通過一個隔離式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信號與逆變器模塊隔離，IGBT由一個嵌入該模塊中的電平轉換柵極驅動器驅動。

 

圖4. 典型的中型工業電機驅動係統