在恶劣的电机驱动环境中使用鲁棒的数字隔离器.doc
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1、在恶劣的电机驱动环境中使用鲁棒的数字隔离器Brian Kennedy ADI公司应用工程师简介在恶劣的电机应用环境中,需要鲁棒的数字隔离器。由于环境非常糟糕,应用要求能够抵御高压瞬变,防止数据受扰,并且消除高压电压力对隔离器隔离寿命的影响。此类应用的典型隔离解决方案是光耦合器,其内部绝缘层很厚,可以承受高压。光耦合器的缺点是要使用发光二极管(LED),其光强度会随着时间推移和温度变化而降低,这就会带来设计和可靠性问题。新型且更鲁棒的数字隔离器不使用LED,消除了可靠性问题,改善了绝缘能力,可与光耦合器相媲美。这种数字隔离器的优势是对高压瞬变的抗扰度更强,能够更好地满足电机控制应用的要求。本文将
2、详细说明此类新型数字隔离器的工作原理,以及在上述应用中其先进的功能如何胜过光耦合器。应用根据应用的性能和功率水平,以及具体的控制和隔离方案,电机驱动有各种各样的系统设计。图1所示为逆变器或低端电机驱动器常用的隔离通信框图。在该系统中,控制器电位与功率级相同,通信接口被隔离,因为这通常是一个较低速度且较简单的接口。在此类系统中,功率逆变器可能具有低端栅极驱动器,这些驱动器不需要隔离,因为其与电机控制模块共享同一接地。高端驱动器可以隔离,但也可以使用电平转换之类的技术,尤其是当功率逆变器电压不是太高时。在此框图中,电机控制器不使用隔离,直接连到逆变器反馈。当功率水平较高时,使用这种架构会有局限性。
3、开关信号在电机上产生的额外噪声可能会淹没用来监测电机电流的反馈信号,进而可能引起电机失控。对于较高性能驱动,例如工业电机和火车牵引电机中使用的大型多相驱动,将会需要隔离控制和通信,如图2所示。在此系统框图中,出于抗噪和提高通信速度的原因,控制和通信均位于隔离栅的安全侧。因为电机控制模块位于隔离栅的安全侧,所以全部栅极驱动器都需要隔离。特定隔离电压和安全要求由具体架构和隔离栅位置决定。在框图中,逆变器反馈用来帮助控制电机驱动,是电机控制最重要的方面之一。如图所示,逆变器反馈连接到三相交流电机的两相中的电流测量节点iV和iW。在隔离控制和通信系统图中,逆变器反馈必须跨隔离栅连接,故而这里也需要隔离
4、。在许多高功率电机应用中,架构会要求对三相电机的高电压进行增强隔离,防止用户接触到高电压。此类增强隔离应用具有极大的隔离电压要求,可能需要隔离器增大内部绝缘厚度(取决于材料)。绝缘隔离器的绝缘能力是指其在工作寿命中耐受高压的能力。在相同的环境条件、电压瞬变和电压波形下,不同类型的隔离材料具有不同的绝缘能力。光耦合器由于绝缘层厚,耐压能力强,并且具有数十年的现场使用历史,成为业界惯用的经典高压隔离器。光耦合器使用模塑料作为绝缘介质,塑料成型工艺可能会在绝缘层中产生空隙,这会造成部分放电并引起绝缘失效。由于这个原因,认证机构对绝缘高压测试的要求会包括部分放电测试。与光耦合器不同,数字隔离器利用内部
5、绝缘层作为原边隔离栅,这些绝缘层是在界定明确且高度受控的半导体制造工艺中生产的。这就消除了绝缘中的空隙,绝缘结构变得简单得多,而且更为鲁棒。数字隔离器不使用LED,不存在LED可靠性问题。随着工艺改进,绝缘层厚度和组成越来越优化,数字隔离器也就更加鲁棒。某些数字隔离器使用薄层二氧化硅来产生高介电强度绝缘,这已广泛用作半导体芯片上的绝缘体。二氧化硅绝缘的缺点是它与IC构成一个整体,IC受损时,隔离也可能受损。使用聚酰亚胺绝缘可克服二氧化硅的这种限制,聚酰亚胺半导体工艺已使用数十年,可帮助实现强健可靠的集成电路。聚酰亚胺内部绝缘属于后期处理,具有独立的完整性。如果IC受损,独立的聚酰亚胺绝缘仍会完
6、好无损。分多层制造时,聚酰亚胺可用作电机驱动应用可能需要的增强绝缘。使用数字隔离器的工程师需要制造商提供全寿命数据,以证明器件的时间、温度、湿度和电压性能能够应对取代光耦合器的挑战。Input Rectifier输入整流器AC Line交流线路Power Inverter功率逆变器AC Motor交流电机Gate Drive栅极驱动Inverter Feedback逆变器反馈PWM TimerPWM定时器Motor Control (Algorithms and Drivers)电机控制(算法和驱动器)Position Feedback位置反馈Isolated Power隔离电源SELV Po
7、werSELV电源Safety Isolation安全隔离Safety Earth安全接地System and Communications (RTOS, Protocols, and Stacks)系统和通信(RTOS、协议和堆栈)Command and Network命令和网络图1.隔离通信电机控制框图Input Rectifier输入整流器AC Line交流线路Power Inverter功率逆变器AC Motor交流电机Isolated Power隔离电源SELV PowerSELV电源Gate Drive栅极驱动Inverter Feedback逆变器反馈Safety Isolati
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