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
，xiaochulekekaoxingwenti
，gaishanlejueyuannengli，keyuguangouheqixiangpimei。zhezhongshuzigeliqideyoushishiduigaoyashunbiandekangraodugengqiang，nenggougenghaodimanzudianjikongzhiyingyongdeyaoqiu。benwenjiangxiangxishuomingcileixinxingshuzigeliqidegongzuoyuanli，yijizaishangshuyingyongzhongqixianjindegongnengruheshengguoguangouheqi。

 

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1所(suo)示(shi)為(wei)逆(ni)變(bian)器(qi)或(huo)低(di)端(duan)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)常(chang)用(yong)的(de)隔(ge)離(li)通(tong)信(xin)框(kuang)圖(tu)。在(zai)該(gai)係(xi)統(tong)中(zhong)，控(kong)製(zhi)器(qi)電(dian)位(wei)與(yu)功(gong)率(lv)級(ji)相(xiang)同(tong)，通(tong)信(xin)接(jie)口(kou)被(bei)隔(ge)離(li)

，因(yin)為(wei)這(zhe)通(tong)常(chang)是(shi)一(yi)個(ge)較(jiao)低(di)速(su)度(du)且(qie)較(jiao)簡(jian)單(dan)的(de)接(jie)口(kou)。在(zai)此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)中(zhong)，功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)低(di)端(duan)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)
，這(zhe)些(xie)驅(qu)動(dong)器(qi)不(bu)需(xu)要(yao)隔(ge)離(li)
，因(yin)為(wei)其(qi)與(yu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)模(mo)塊(kuai)共(gong)享(xiang)同(tong)一(yi)接(jie)地(di)。高(gao)端(duan)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)以(yi)隔(ge)離(li)
，但(dan)也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)之(zhi)類(lei)的(de)技(ji)術(shu)

，尤(you)其(qi)是(shi)當(dang)功(gong)率(lv)逆(ni)變(bian)器(qi)電(dian)壓(ya)不(bu)是(shi)太(tai)高(gao)時(shi)。在(zai)此(ci)框(kuang)圖(tu)中(zhong)，電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)器(qi)不(bu)使(shi)用(yong)隔(ge)離(li)
，直(zhi)接(jie)連(lian)到(dao)逆(ni)變(bian)器(qi)反(fan)饋(kui)。當(dang)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)較(jiao)高(gao)時(shi)，使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)會(hui)有(you)局(ju)限(xian)性(xing)。開(kai)關(guan)信(xin)號(hao)在(zai)電(dian)機(ji)上(shang)產(chan)生(sheng)的(de)額(e)外(wai)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)會(hui)淹(yan)沒(mei)用(yong)來(lai)監(jian)測(ce)電(dian)機(ji)電(dian)流(liu)的(de)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)，進(jin)而(er)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)電(dian)機(ji)失(shi)控(kong)。

 

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
、電dian壓ya瞬shun變bian和he電dian壓ya波bo形xing下xia，不bu同tong類lei型xing的de隔ge離li材cai料liao具ju有you不bu同tong的de絕jue緣yuan能neng力li。光guang耦ou合he器qi由you於yu絕jue緣yuan層ceng厚hou，耐nai壓ya能neng力li強qiang，並bing且qie具ju有you數shu十shi年nian的de現xian場chang使shi用yong曆li史shi，成cheng為wei業ye界jie慣guan用yong的de經jing典dian高gao壓ya隔ge離li器qi。光guang耦ou合he器qi使shi用yong模mo塑su料liao作zuo為wei絕jue緣yuan介jie質zhi
，塑su料liao成cheng型xing工gong藝yi可ke能neng會hui在zai絕jue緣yuan層ceng中zhong產chan生sheng空kong隙xi，這zhe會hui造zao成cheng部bu分fen放fang電dian並bing引yin起qi絕jue緣yuan失shi效xiao。由you於yu這zhe個ge原yuan因yin
，認ren證zheng機ji構gou對dui絕jue緣yuan高gao壓ya測ce試shi的de要yao求qiu會hui包bao括kuo部bu分fen放fang電dian測ce試shi。與yu光guang耦ou合he器qi不bu同tong，數shu字zi隔ge離li器qi利li用yong內nei部bu絕jue緣yuan層ceng作zuo為wei原yuan邊bian隔ge離li柵zha，這zhe些xie絕jue緣yuan層ceng是shi在zai界jie定ding明ming確que且qie高gao度du受shou控kong的de半ban導dao體ti製zhi造zao工gong藝yi中zhong生sheng產chan的de。這zhe就jiu消xiao除chu了le絕jue緣yuan中zhong的de空kong隙xi，絕jue緣yuan結jie構gou變bian得de簡jian單dan得de多duo，而er且qie更geng為wei魯lu棒bang。

 

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(yu)IC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

 

dianjikongzhiyingyongdehuanjingtiaojiankenengbaokuojiduanwenduheshidu。yiliecheqianyindianjiweilikeyishuomingqizhongdeyixiejiduanqingkuang。jiashejichefadongjizaihanlengdedongriliqianyinzheyichangchuanmanzaichexiangzaishanqutieguishangxingshi。huanjingwendukenengdiyu−40°C，dianjibaoluzaiyanhandeshiwaikongqizhong
，zheshiliechejinruyitiaochangchangdesuidao，youyufadongjichanshengdereliang
，dianjihefadongjizhouweidewendukenenghuixunsushangsheng。dianjijiqijueyuantibixunengzaizhezhongjiduanwenduxiagongzuo，erqienengkefushijiantuiyihewendubianhuadailaidebuliyingxiang。zhongsuozhouzhi，guangouheqidexingnenghuisuizhewendubianhuaerjiangdi，qineibuLEDchanshengdeguanglianghejianceqihuodedeshuchuxinhaohuisuizheshijiantuiyihewendubianhuaerjianshao。yongzuoduotongdaogeliqishi，guangouheqidetongdaojianshipeihuisuizheshijiantuiyierzengda。xiangbizhixia


，shuzigeliqibuyilaiyujianceneibuLED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3中(zhong)的(de)示(shi)例(li)框(kuang)圖(tu)所(suo)示(shi)。根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)架(jia)構(gou)，數(shu)字(zi)隔(ge)離(li)器(qi)響(xiang)應(ying)輸(shu)入(ru)邏(luo)輯(ji)電(dian)平(ping)或(huo)輸(shu)入(ru)脈(mai)衝(chong)。可(ke)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)方(fang)法(fa)編(bian)碼(ma)和(he)解(jie)碼(ma)信(xin)號(hao)
，以(yi)便(bian)跨(kua)越(yue)隔(ge)離(li)柵(zha)收(shou)發(fa)邏(luo)輯(ji)數(shu)據(ju)。脈(mai)衝(chong)編(bian)碼(ma)技(ji)術(shu)如(ru)圖(tu)4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：如ru果guo外wai部bu噪zao聲sheng擾rao亂luan了le輸shu出chu數shu據ju，這zhe種zhong狀zhuang況kuang會hui持chi續xu一yi微wei秒miao或huo更geng長chang時shi間jian，直zhi至zhi內nei部bu糾jiu錯cuo邏luo輯ji糾jiu正zheng錯cuo誤wu或huo出chu現xian新xin的de數shu據ju沿yan。對dui於yu電dian機ji控kong製zhi應ying用yong，這zhe可ke能neng意yi味wei著zhe柵zha極ji驅qu動dong器qi開kai關guan或huo反fan饋kui控kong製zhi信xin號hao會hui在zai一yi定ding時shi間jian內nei失shi控kong，該gai時shi間jian足zu夠gou長chang，以yi至zhi於yu開kai關guan電dian路lu或huo電dian機ji驅qu動dong可ke能neng受shou損sun。利li用yongOOK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

 

zaidaxingdianjiyingyongzhong，dangdianjikongzhikaiguandianluzaiqiaodianyazhongchanshengbujinbianhuashi
，gelizhashangdegongmodianyabianhuakenenghuichanshengzaosheng。geliqinaishoucigaoyabailvdianyashunbianqiegeliqishuchubushouganraodenengli，bianshigongmoshunbiankangraodu(CMTI)。光耦合器的CMTI可ke能neng不bu是shi很hen高gao，因yin為wei其qi接jie收shou元yuan件jian非fei常chang敏min感gan

，易yi受shou容rong性xing耦ou合he效xiao應ying影ying響xiang。光guang耦ou合he器qi的de容rong性xing耦ou合he是shi一yi種zhong單dan端duan結jie構gou，信xin號hao和he噪zao聲sheng隻zhi有you一yi條tiao路lu徑jing跨kua越yue隔ge離li柵zha。這zhe就jiu要yao求qiu信xin號hao頻pin率lv必bi須xu遠yuan高gao於yu預yu期qi的de噪zao聲sheng頻pin率lv，以yi便bian隔ge離li柵zha電dian容rong對dui信xin號hao提ti供gong低di阻zu抗kang，而er對dui噪zao聲sheng提ti供gong高gao阻zu抗kang。當dang電dian機ji控kong製zhi信xin號hao頻pin率lv較jiao低di時shi（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6suoshidejiyubianyaqideshuzigeliqi，bianyaqiyouyigechafenshurujiegou，qiweishuruxinhaohezaoshengtigonglebutongdechuanshulujing，yincibiranjuyougengdadegongmozaoshengkangraodu，erqiebucunzaiguangouheqiyaoqiuxinhaopinlvgaoyuzaoshengpinlvdexianzhi。gaijindedianqizaoshengkangraodushideqijiannengzaigaozaoshenghuanjingxiakekaodigongzuo。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(wei)30 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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