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1suoshi。meigedianjiraozujunlianjiezhitongguofenliuqilianjiegaoduanjingtiguanhediduanjingtiguandetongyijiedian。nibianqishidianjiraozuzaizhiliuzongxiandegaoyaguihediyaguizhijianqiehuan
，yikongzhipingjundianya。raozujuyoujigaodedianganxing，jiangzudangdianliudebianhua


，yinci，danggonglvjingtiguanguanbishi，dianliujiangkaishizailianjiezhixiangfandianyuanguideerjiguanzhongliudong。zheyang，jishinibianqigonglvshebeihezhiliulianludianrongzhongcunzaiduanxuchuandao
，yehuiyoudianliulianxuliudaodianjiraozuzhong。dianjiraozuzukangchongdanglaizinibianqidegaoyamaichongkuandutiaozhifangboshuchudianyadeditonglvboqi。jiangdiyakongzhidianliulianjiezhinibianqishicunzaijudadekunnan。yigejibenwentishi，gaoduanjingtiguanfasheqijiedianzaigaoyazongxiangaogongdianguiyudigongdianguizhijianqiehuan。shouxian，gaoduanqudongqibixunenggouqudongxiangduiyuyigefasheqi(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(wei)100 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(wei)10 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。

 

 

隔ge離li不bu得de給gei整zheng體ti係xi統tong性xing能neng帶dai來lai任ren何he顯xian著zhu的de時shi序xu不bu確que定ding性xing或huo時shi序xu誤wu差cha。標biao準zhun光guang耦ou合he器qi的de傳chuan播bo延yan遲chi為wei微wei秒miao級ji，可ke能neng因yin器qi件jian而er異yi，因yin溫wen度du和he壽shou命ming而er異yi。光guang耦ou合he器qi技ji術shu在zai時shi序xu性xing能neng方fang麵mian存cun在zai一yi些xie根gen本ben的de不bu足zu，而er現xian代dai數shu字zi隔ge離li器qi采cai用yong完wan全quan不bu同tong的de運yun算suan原yuan則ze，其qi速su率lv也ye更geng高gao。可ke以yi在zai有you所suo折zhe衷zhong的de情qing況kuang下xia增zeng加jia光guang耦ou合he器qi的de速su率lv。光guang耦ou合he器qi的de工gong作zuo原yuan理li是shi
，將jiang來lai自ziLEDdeguangfasongzhiyizhongguangxuetoumingdegelicailiao，bingyonglingyiduandeguangdianerjiguanjianceguang。guangouheqidesuduyuguangdianerjiguanjianboqidesulvyijiweiqierjiguandianrongchongdiandeshijianzhijiexiangguan。jianshaochuanboyanchideyizhongfangfashizengjiafashedeguangliang。tongguotigaoLED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。提(ti)高(gao)速(su)度(du)的(de)另(ling)一(yi)種(zhong)辦(ban)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)更(geng)薄(bo)的(de)隔(ge)離(li)柵(zha)來(lai)減(jian)少(shao)光(guang)傳(chuan)輸(shu)損(sun)耗(hao)。為(wei)了(le)維(wei)持(chi)相(xiang)同(tong)的(de)隔(ge)離(li)能(neng)力(li)

，需(xu)要(yao)增(zeng)加(jia)一(yi)層(ceng)材(cai)料(liao)，但(dan)代(dai)價(jia)是(shi)成(cheng)本(ben)也(ye)將(jiang)增(zeng)高(gao)。更(geng)快(kuai)的(de)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)比(bi)標(biao)準(zhun)的(de)低(di)成(cheng)本(ben)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)要(yao)貴(gui)許(xu)多(duo)倍(bei)。

 

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ledc/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