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1suoshiweinibianqihuodiduandianjiqudongqichangyongdegelitongxinkuangtu。zaigaixitongzhong，kongzhiqidianweiyugonglvjixiangtong，tongxinjiekoubeigeli，yinweizhetongchangshiyigejiaodisuduqiejiaojiandandejiekou。zaicileixitongzhong，gonglvnibianqikenengjuyoudiduanzhajiqudongqi
，zhexiequdongqibuxuyaogeli
，yinweiqiyudianjikongzhimokuaigongxiangtongyijiedi。gaoduanqudongqikeyigeli，danyekeyishiyongdianpingzhuanhuanzhileidejishu

，youqishidanggonglvnibianqidianyabushitaigaoshi。zaicikuangtuzhong，dianjikongzhiqibushiyonggeli，zhijieliandaonibianqifankui。danggonglvshuipingjiaogaoshi
，shiyongzhezhongjiagouhuiyoujuxianxing。kaiguanxinhaozaidianjishangchanshengdeewaizaoshengkenenghuiyanmeiyonglaijiancedianjidianliudefankuixinhao
，jinerkenengyinqidianjishikong。

 

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2所suo示shi。在zai此ci係xi統tong框kuang圖tu中zhong
，出chu於yu抗kang噪zao和he提ti高gao通tong信xin速su度du的de原yuan因yin，控kong製zhi和he通tong信xin均jun位wei於yu隔ge離li柵zha的de安an全quan側ce。因yin為wei電dian機ji控kong製zhi模mo塊kuai位wei於yu隔ge離li柵zha的de安an全quan側ce，所suo以yi全quan部bu柵zha極ji驅qu動dong器qi都dou需xu要yao隔ge離li。特te定ding隔ge離li電dian壓ya和he安an全quan要yao求qiu由you具ju體ti架jia構gou和he隔ge離li柵zha位wei置zhi決jue定ding。在zai框kuang圖tu中zhong，逆ni變bian器qi反fan饋kui用yong來lai幫bang助zhu控kong製zhi電dian機ji驅qu動dong，是shi電dian機ji控kong製zhi最zui重zhong要yao的de方fang麵mian之zhi一yi。如ru圖tu所suo示shi，逆ni變bian器qi反fan饋kui連lian接jie到dao三san相xiang交jiao流liu電dian機ji的de兩liang相xiang中zhong的de電dian流liu測ce量liang節jie點dianiV和iW。在(zai)隔(ge)離(li)控(kong)製(zhi)和(he)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)圖(tu)中(zhong)，逆(ni)變(bian)器(qi)反(fan)饋(kui)必(bi)須(xu)跨(kua)隔(ge)離(li)柵(zha)連(lian)接(jie)，故(gu)而(er)這(zhe)裏(li)也(ye)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)。在(zai)許(xu)多(duo)高(gao)功(gong)率(lv)電(dian)機(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，架(jia)構(gou)會(hui)要(yao)求(qiu)對(dui)三(san)相(xiang)電(dian)機(ji)的(de)高(gao)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)增(zeng)強(qiang)隔(ge)離(li)
，防(fang)止(zhi)用(yong)戶(hu)接(jie)觸(chu)到(dao)高(gao)電(dian)壓(ya)。此(ci)類(lei)增(zeng)強(qiang)隔(ge)離(li)應(ying)用(yong)具(ju)有(you)極(ji)大(da)的(de)隔(ge)離(li)電(dian)壓(ya)要(yao)求(qiu)，可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)器(qi)增(zeng)大(da)內(nei)部(bu)絕(jue)緣(yuan)厚(hou)度(du)（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、dianyashunbianhedianyaboxingxia，butongleixingdegelicailiaojuyoubutongdejueyuannengli。guangouheqiyouyujueyuancenghou，naiyanengliqiang，bingqiejuyoushushiniandexianchangshiyonglishi
，chengweiyejieguanyongdejingdiangaoyageliqi。guangouheqishiyongmosuliaozuoweijueyuanjiezhi，suliaochengxinggongyikenenghuizaijueyuancengzhongchanshengkongxi，zhehuizaochengbufenfangdianbingyinqijueyuanshixiao。youyuzhegeyuanyin，renzhengjigouduijueyuangaoyaceshideyaoqiuhuibaokuobufenfangdianceshi。yuguangouheqibutong，shuzigeliqiliyongneibujueyuancengzuoweiyuanbiangelizha，zhexiejueyuancengshizaijiedingmingqueqiegaodushoukongdebandaotizhizaogongyizhongshengchande。zhejiuxiaochulejueyuanzhongdekongxi，jueyuanjiegoubiandejiandandeduo，erqiegengweilubang。

 

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

，IC受(shou)損(sun)時(shi)，隔(ge)離(li)也(ye)可(ke)能(neng)受(shou)損(sun)。使(shi)用(yong)聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)絕(jue)緣(yuan)可(ke)克(ke)服(fu)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)的(de)這(zhe)種(zhong)限(xian)製(zhi)，聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)半(ban)導(dao)體(ti)工(gong)藝(yi)已(yi)使(shi)用(yong)數(shu)十(shi)年(nian)
，可(ke)幫(bang)助(zhu)實(shi)現(xian)強(qiang)健(jian)可(ke)靠(kao)的(de)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)。聚(ju)酰(xian)亞(ya)胺(an)內(nei)部(bu)絕(jue)緣(yuan)屬(shu)於(yu)後(hou)期(qi)處(chu)理(li)
，具(ju)有(you)獨(du)立(li)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)。如(ru)果(guo)IC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(bu)LED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：ruguowaibuzaoshengraoluanleshuchushuju
，zhezhongzhuangkuanghuichixuyiweimiaohuogengchangshijian，zhizhineibujiucuoluojijiuzhengcuowuhuochuxianxindeshujuyan。duiyudianjikongzhiyingyong，zhekenengyiweizhezhajiqudongqikaiguanhuofankuikongzhixinhaohuizaiyidingshijianneishikong
，gaishijianzugouchang，yizhiyukaiguandianluhuodianjiqudongkenengshousun。liyongOOK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CMTIkenengbushihengao
，yinweiqijieshouyuanjianfeichangmingan，yishourongxingouhexiaoyingyingxiang。guangouheqiderongxingouheshiyizhongdanduanjiegou，xinhaohezaoshengzhiyouyitiaolujingkuayuegelizha。zhejiuyaoqiuxinhaopinlvbixuyuangaoyuyuqidezaoshengpinlv，yibiangelizhadianrongduixinhaotigongdizukang
，erduizaoshengtigonggaozukang。dangdianjikongzhixinhaopinlvjiaodishi（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6所suo示shi的de基ji於yu變bian壓ya器qi的de數shu字zi隔ge離li器qi，變bian壓ya器qi有you一yi個ge差cha分fen輸shu入ru結jie構gou，其qi為wei輸shu入ru信xin號hao和he噪zao聲sheng提ti供gong了le不bu同tong的de傳chuan輸shu路lu徑jing，因yin此ci必bi然ran具ju有you更geng大da的de共gong模mo噪zao聲sheng抗kang擾rao度du，而er且qie不bu存cun在zai光guang耦ou合he器qi要yao求qiu信xin號hao頻pin率lv高gao於yu噪zao聲sheng頻pin率lv的de限xian製zhi。改gai進jin的de電dian氣qi噪zao聲sheng抗kang擾rao度du使shi得de器qi件jian能neng在zai高gao噪zao聲sheng環huan境jing下xia可ke靠kao地di工gong作zuo。圖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。光guang耦ou合he器qi通tong過guo很hen厚hou的de內nei部bu絕jue緣yuan層ceng來lai滿man足zu浪lang湧yong保bao護hu要yao求qiu。對dui於yu采cai用yong二er氧yang化hua矽gui的de數shu字zi隔ge離li器qi，為wei使shi內nei部bu應ying力li不bu致zhi引yin起qi裂lie縫feng，可ke製zhi成cheng的de絕jue緣yuan厚hou度du是shi有you限xian製zhi的de。采cai用yong聚ju酰xian亞ya胺an的de數shu字zi隔ge離li器qi絕jue緣yuan可ke以yi改gai善shan浪lang湧yong保bao護hu能neng力li
，分fen為wei多duo層ceng製zhi造zao且qie總zong厚hou度du為wei30 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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