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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

發(fā)布時(shí)間:2020-01-06 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】Brian Kennedy ADI公司應(yīng)用工程師簡介在惡劣的電機(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)帶來設(shè)計(jì)和可靠性問題。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。
 
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。在框圖中,逆變器反饋用來幫助控制電機(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可靠性問題。隨著工藝改進(jìn),絕緣層厚度和組成越來越優(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)。
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037423
 
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(jī)Gate Drive柵極驅(qū)動(dòng)Inverter Feedback逆變器反饋PWM TimerPWM定時(shí)器Motor Control (Algorithms and Drivers)電機(jī)控制(算法和驅(qū)動(dòng)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)系統(tǒng)和通信(RTOS、協(xié)議和堆棧)Command and Network命令和網(wǎng)絡(luò)圖1.隔離通信電機(jī)控制框圖
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037423
 
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(jī)Isolated Power隔離電源SELV PowerSELV電源Gate Drive柵極驅(qū)動(dòng)Inverter Feedback逆變器反饋Safety Isolation安全隔離PWM TimerPWM定時(shí)器Motor Control (Algorithms and Drivers)電機(jī)控制(算法和驅(qū)動(dòng)器)Position Feedback位置反饋Safety Earth安全接地System and Communications (RTOS, Protocols, and Stacks)系統(tǒng)和通信(RTOS、協(xié)議和堆棧)Command and Network命令和網(wǎng)絡(luò)圖2.隔離控制和通信電機(jī)控制框圖
 
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)入一條長長的隧道,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,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。
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037423
圖3.數(shù)字隔離器框圖
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037423
圖4.數(shù)字隔離器:脈沖編碼數(shù)據(jù)架構(gòu)
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037423
圖5.數(shù)字隔離器:開關(guān)鍵控?cái)?shù)據(jù)架構(gòu)
 
抗擾度
 
在大型電機(jī)應(yīng)用中,當(dāng)電機(jī)控制開關(guān)電路在橋電壓中產(chǎn)生步進(jìn)變化時(shí),隔離柵上的共模電壓變化可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。隔離器耐受此高壓擺率電壓瞬變且隔離器輸出不受干擾的能力,便是共模瞬變抗擾度(CMTI)。光耦合器的CMTI可能不是很高,因?yàn)槠浣邮赵浅C舾校资苋菪择詈闲?yīng)影響。光耦合器的容性耦合是一種單端結(jié)構(gòu),信號(hào)和噪聲只有一條路徑跨越隔離柵。這就要求信號(hào)頻率必須遠(yuǎn)高于預(yù)期的噪聲頻率,以便隔離柵電容對(duì)信號(hào)提供低阻抗,而對(duì)噪聲提供高阻抗。當(dāng)電機(jī)控制信號(hào)頻率較低時(shí)(通常低于16 kHz),共模瞬變的高頻成分會(huì)高于信號(hào)頻率,其幅度可能足以擾亂光耦合器輸出。考察圖6所示的基于變壓器的數(shù)字隔離器,變壓器有一個(gè)差分輸入結(jié)構(gòu),其為輸入信號(hào)和噪聲提供了不同的傳輸路徑,因此必然具有更大的共模噪聲抗擾度,而且不存在光耦合器要求信號(hào)頻率高于噪聲頻率的限制。改進(jìn)的電氣噪聲抗擾度使得器件能在高噪聲環(huán)境下可靠地工作。圖7顯示了電機(jī)控制開關(guān)期間共模瞬變的高橋電壓和快速dV/dt的開關(guān)噪聲,數(shù)字隔離器必須能抵抗這種干擾。示波器波形顯示,對(duì)于開關(guān)鍵控架構(gòu)的變壓器耦合數(shù)字隔離器,要擾亂數(shù)據(jù),從GND2到GND1的快速共模瞬變(CMT)須高于150 kV/μs,而且隔離器輸出受擾亂的時(shí)間非常之短,只有區(qū)區(qū)3 ns。實(shí)現(xiàn)超高CMTI的關(guān)鍵在于發(fā)送器必須不斷產(chǎn)生差分載波信號(hào),并且接收器必須具有很高的輸入共模變化抗擾度。
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037423
圖6.變壓器耦合數(shù)字隔離器框圖
 
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圖7.電機(jī)控制應(yīng)用中的共模瞬變dV/dt
 
浪涌保護(hù)能力
 
電機(jī)控制應(yīng)用中可能出現(xiàn)高壓瞬變或浪涌,此類浪涌的峰值可能超過10,000 V,而上升時(shí)間僅有1.2 μs。光耦合器通過很厚的內(nèi)部絕緣層來滿足浪涌保護(hù)要求。對(duì)于采用二氧化硅的數(shù)字隔離器,為使內(nèi)部應(yīng)力不致引起裂縫,可制成的絕緣厚度是有限制的。采用聚酰亞胺的數(shù)字隔離器絕緣可以改善浪涌保護(hù)能力,分為多層制造且總厚度為30 μm的聚酰亞胺絕緣業(yè)已證明非常有效。在圖8中,30 μm聚酰亞胺的浪涌測(cè)試結(jié)果表明它非常魯棒,可以耐受±20 kV峰值。
 
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圖8.聚酰亞胺絕緣浪涌測(cè)試結(jié)果
 
總結(jié)
 
表1中的隔離器對(duì)比顯示了在惡劣的電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中,數(shù)字隔離器的性能優(yōu)于光耦合器。對(duì)于擾亂電機(jī)控制的電壓瞬變,光耦合器的抗擾度(CMTI)最小值只有10 kV/μs,而數(shù)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(shù)字隔離器的工作溫度可以達(dá)到125ºC。本文說明了此類數(shù)字隔離器的工作原理,以及在電機(jī)控制應(yīng)用中其先進(jìn)的功能如何勝過光耦合器。
 
表1.電機(jī)控制應(yīng)用的隔離器比較
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