利用数字隔离器技术增强工业电机控制性能

隔离类型简介

隔离用户及敏感电子部件是电机控制系统的重要考虑事项。安全隔离用于保护用户免受有害电压影响，功能隔离则专门用来保护设备和器件。电机控制系统可能包含各种各样的隔离器件，例如：驱动电路中的隔离式栅极驱动器；检测电路中的隔离式ADC、放大器和传感器；以及通信电路中的隔离式SPI、RS-485、标准数字隔离器。无论是出于安全原因，还是为了优化性能，都要求精心选择这些器件。

虽然隔离是很重要的系统考虑，但它也存在缺点：会提高功耗，跨过隔离栅传输数据会产生延迟，而且会增加系统成本。系统设计师传统上求助于光隔离方案，多年来，它是系统隔离的当然选择。最近十年来，基于磁性(变压器传输)方法的数字隔离器提供了一种可行且在很多时候更优越的替代方案；从系统角度考虑，它还具备系统设计师可能尚未认识到的优点。

本文将讨论这两种隔离解决方案，重点论述磁隔离对延迟时序性能的改善，以及由此给电机控制应用在系统层面带来的好处。

隔离方法

光耦利用光作为主要传输方法，如图1所示。发送侧包括一个LED，高电平信号开启LED，低电平信号关闭LED。接收侧利用光电检测器将接收到的光信号转换回电信号。隔离由LED与光电检测器之间的塑封材料提供，但也可利用额外的隔离层(通常基于聚合物)予以增强。

图1. 光耦结构

光耦的最大缺点之一是：LED老化，会使传输特性漂移；设计人员必须考虑这一额外问题。LED老化导致时序性能随着时间和温度而漂移。因此，信号传输和上升/下降时间会受影响，使设计复杂化，尤其是考虑到本文后面要处理的问题。

光耦的性能扩展也是受限的。为了提高数据速率，必须克服光耦固有的寄生电容问题，该问题会导致功耗升高。寄生电容还会提供耦合机制，导致基于光耦的隔离器件的CMTI(共模瞬变抗扰度)性能劣于竞争方案。

磁隔离器(基于变压器)已大规模应用十多年，是光耦合器的有效替代方案。这类隔离器基于标准CMOS技术，采用磁传输原理，隔离层由聚酰亚胺或二氧化硅构成，如图2所示。低电平电流以脉冲方式通过线圈传输，产生一个磁场，磁场穿过隔离栅，在隔离栅另一侧的第二线圈中感生一个电流。由于采用标准CMOS结构，其在功耗和速度方面具有明显优势，而且不存在光耦合器相关的寿命偏差问题。此外，基于变压器的隔离器的CMTI性能优于基于光耦合器的隔离器。

图2. 磁性变压器结构

基于变压器的隔离器还允许使用常规的信号处理模块(防止传输杂散输入)和高级传输编解码机制。这样就可以实现双向数据传输，使用不同编码方案来优化功耗与传输速率的关系，以及将重要信号更快速、更一致地传输到隔离栅另一端。

延迟特性比较

所有隔离器的一个重要但常常被轻视的特性是其传输延迟。此特性衡量信号(可以是驱动信号或故障检测信号)沿任一方向跨过隔离栅所需的时间。技术不同，传输延迟差别很大。通常提供的是典型延迟值，但系统设计师特别关注最大延迟，它是设计电机控制系统需要考虑的重要特性。表1给出了光耦合器和磁隔离栅极驱动器的传输延迟和延迟偏差值示例。

表1： 光耦合器和磁隔离器的典型延迟特性

如表1所示，磁隔离在最大延迟和延迟可重复性(偏差)方面优势明显。这样，电机控制设计人员对设计将更有信心，无需增加时序裕量以满足栅极驱动器特性。对于电机控制系统的性能和安全，这都有着非常重要的意义。

对电机控制系统的系统影响

图3显示了交流电机控制应用中采用的典型三相逆变器。该逆变器由直流母线供电，直流电源通常是通过二极管桥式整流器和容性/感性-容性滤波器直接从交流电源产生。在大部分工业应用中，直流母线电压在300 V至1000 V范围内。采用脉宽调制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型频率切换功率晶体管T1至T6，从而在电机端子上产生可变电压、可变频率的三相正弦交流电压。

图3. 电机控制应用中的三相逆变器

PWM信号(如PWMaH和PWMaL)在电机控制器(一般用处理器和/或FPGA实现)中产生。这些信号一般是低压信号，与处理器共地。为了正确开启和关闭功率晶体管，逻辑电平信号的电压电平和电流驱动能力必须被放大， 另外还必须进行电平转换，从而以相关功率晶体管发射极为接地基准。根据处理器在系统中的位置，这些信号可能还需要安全绝缘。

栅极驱动器(如图3中的GDRVaL和GDRVaH)执行这种功能。每个栅极驱动器IC都需要一个以处理器地为基准的原边电源电压和一个以晶体管发射极为基准的副边电源。副边电源的电压电平必须能够开启功率晶体管(通常为15 V)，并有足够的电流驱动能力来给晶体管栅极充电和放电。