隔離器件與電機(jī)控制二三事
2022-10-17 11:42:59??????點(diǎn)擊：
在環(huán)境嚴(yán)苛的工業(yè)場(chǎng)景中，電機(jī)驅(qū)控與隔離是密不可分的。在一個(gè)電機(jī)系統(tǒng)中，往往包含著各式各樣的隔離器件，隔離ADC、隔離柵極驅(qū)動(dòng)、隔離SPI等等。雖然引入隔離不可避免地會(huì)帶來(lái)功耗、延遲、成本和尺寸上的限制，但隨著隔離技術(shù)的革新以及電機(jī)驅(qū)控系統(tǒng)向著更高開(kāi)關(guān)頻率、更小死區(qū)時(shí)間方向發(fā)展，工業(yè)電機(jī)對(duì)可靠性的要求越來(lái)越高，需要越來(lái)越多的保護(hù)功能。現(xiàn)在的電機(jī)系統(tǒng)要求隔離器件能夠抵御高壓瞬變，防止數(shù)據(jù)受擾，還能消除高壓瞬變對(duì)隔離器壽命的影響。
光耦落于下風(fēng)？
基于光耦的隔離是用于電機(jī)驅(qū)控最傳統(tǒng)的辦法，一度是電機(jī)系統(tǒng)最典型的隔離解決方案。光電耦合采用物理手段使高壓電路系統(tǒng)與鄰近的低壓系統(tǒng)分離，從而隔離無(wú)用信號(hào)。光耦的內(nèi)部絕緣層很厚，可以承受高壓，這是光耦一直很突出的性能。但光耦的缺點(diǎn)同樣明顯，那就是需要使用發(fā)光二極管。
其光強(qiáng)度，不可避免地會(huì)隨著時(shí)間推移和溫度變化而降低，導(dǎo)致時(shí)序性隨時(shí)間與溫度漂移。這不僅會(huì)影響性能，也會(huì)使器件的設(shè)計(jì)極度復(fù)雜化。另一方面，基于光耦的隔離在保持良好的CMTI和拓展上時(shí)常陷入兩難境地。如果要克服數(shù)據(jù)速率受限的問(wèn)題，就必須在光耦的寄生電容上下手，但如此一來(lái)功耗一定會(huì)升高，而且會(huì)大大降低光耦的共模瞬變抗擾度。
即便是Broadcom這種在光耦技術(shù)上遙遙領(lǐng)先的廠商，在數(shù)字隔離器上也會(huì)選擇磁耦來(lái)做。基于光耦的隔離器，Broadcom領(lǐng)先的共模瞬變抗擾度行業(yè)指標(biāo)在50 kV/μs，這已經(jīng)屬于光耦技術(shù)下很高的CMTI。在CMTI不如磁耦和容耦的情況下，光耦隔離必須另辟蹊徑來(lái)止住頹勢(shì)。有些光耦采用獨(dú)特的擴(kuò)散結(jié)制造，以低驅(qū)動(dòng)電流提供快前沿和降落時(shí)間，用于提高電路回路隔離上的共模抑制。
（圖源：Broadcom）
由于光耦在高壓工業(yè)控制環(huán)境上有厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢(shì)，雖然基于該技術(shù)的隔離已逐漸落于下風(fēng)，但在電機(jī)控制信號(hào)頻率較高的高壓場(chǎng)景還是有著穩(wěn)定的應(yīng)用（低于16 kHz的電機(jī)控制信號(hào)頻率會(huì)對(duì)光耦產(chǎn)生極大干擾）。
全面發(fā)展的容耦欠缺什么
作為替代光耦的方案，容耦和磁耦有很多相似之處，但又沒(méi)有磁耦那么突出，處于不溫不火的位置上。作為三種技術(shù)中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm。
在惡劣的電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)于擾亂電機(jī)控制的電壓瞬變，我們不能只看隔離器件的CMTI典型值，應(yīng)該看其最小的CMTI。光耦的最小CMTI在10 kV/μs左右，容耦的最小CMTI在60 kV/μs左右，磁耦在75kV/μs左右。容耦在抗擾度和傳輸速率上并沒(méi)有落下磁耦多少，但是在浪涌保護(hù)上卻力有不逮。
電機(jī)控制應(yīng)用中可能出現(xiàn)高壓瞬變或浪涌，這類(lèi)浪涌的峰值可能超過(guò)10000 V，而上升時(shí)間僅有1.2 μs。光耦是通過(guò)極厚的內(nèi)部絕緣層來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓浪涌保護(hù)的，對(duì)于采用二氧化硅的容耦隔離器件，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。它又無(wú)法像磁耦用聚酰亞胺在有限的厚度下做到極致的魯棒性，因此這意味著容耦的浪涌保護(hù)能力會(huì)比較有限。
改善延遲時(shí)序的磁耦應(yīng)用
基于磁耦的隔離CMTI性能明顯是優(yōu)于光耦的，這一類(lèi)隔離基于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)，在功耗和速度上也有不小的提升。功耗和CMTI是大家選擇隔離器件時(shí)最先關(guān)注的指標(biāo)，當(dāng)然這是很重要的，但是常常被忽視的還有一個(gè)性能，那就是隔離器件的傳輸延遲。
作為衡量驅(qū)動(dòng)信號(hào)跨過(guò)隔離柵的指標(biāo)，傳輸延遲會(huì)根據(jù)隔離技術(shù)的不同呈現(xiàn)很大的差異。傳輸延遲是電機(jī)控制系統(tǒng)中極為重要的特性，更小的傳輸延遲能減少柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的限制，尤其在時(shí)序裕量上給予了系統(tǒng)更多靈活性。
基于光耦和磁耦的柵極驅(qū)動(dòng)延遲對(duì)比如下圖，數(shù)據(jù)取自一流隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的最大延遲。
傳輸延遲MAX 延遲偏差
光耦 700ns 200ns
磁耦 60ns 12ns
不難看出磁耦能夠更快速地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。而且電機(jī)另一個(gè)極為重要的設(shè)置——死區(qū)時(shí)間，同樣會(huì)受到傳輸延遲的影響。MOSFET/IGBT的開(kāi)關(guān)延遲是影響電機(jī)死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度的不和隔離傳輸延遲相關(guān)的因素，剩下的都會(huì)受到傳輸延遲失配影響。
在越來(lái)越高功率的電機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)阻抗變低，如果傳輸延遲和偏差無(wú)法控制得很小，那么電機(jī)電流失真扭矩紋波增加會(huì)對(duì)電機(jī)造成極為不利的影響。在高CMTI之外，隔離器件通過(guò)改善傳輸延遲，賦予了電機(jī)應(yīng)用更靈活更可靠的設(shè)計(jì)。
小結(jié)
工業(yè)電機(jī)驅(qū)控的發(fā)展向著更高的開(kāi)關(guān)頻率，更小的死區(qū)時(shí)間，更快的開(kāi)關(guān)速度發(fā)展，同時(shí)對(duì)可靠性要求更高，需要越來(lái)越多的保護(hù)功能。在注重隔離器件抗擾度和功耗的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)多關(guān)注隔離器件在延遲縮短，死區(qū)時(shí)間縮短上的性能，這對(duì)于增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性與安全性同樣重要。
光耦落于下風(fēng)？
基于光耦的隔離是用于電機(jī)驅(qū)控最傳統(tǒng)的辦法，一度是電機(jī)系統(tǒng)最典型的隔離解決方案。光電耦合采用物理手段使高壓電路系統(tǒng)與鄰近的低壓系統(tǒng)分離，從而隔離無(wú)用信號(hào)。光耦的內(nèi)部絕緣層很厚，可以承受高壓，這是光耦一直很突出的性能。但光耦的缺點(diǎn)同樣明顯，那就是需要使用發(fā)光二極管。
其光強(qiáng)度，不可避免地會(huì)隨著時(shí)間推移和溫度變化而降低，導(dǎo)致時(shí)序性隨時(shí)間與溫度漂移。這不僅會(huì)影響性能，也會(huì)使器件的設(shè)計(jì)極度復(fù)雜化。另一方面，基于光耦的隔離在保持良好的CMTI和拓展上時(shí)常陷入兩難境地。如果要克服數(shù)據(jù)速率受限的問(wèn)題，就必須在光耦的寄生電容上下手，但如此一來(lái)功耗一定會(huì)升高，而且會(huì)大大降低光耦的共模瞬變抗擾度。
即便是Broadcom這種在光耦技術(shù)上遙遙領(lǐng)先的廠商，在數(shù)字隔離器上也會(huì)選擇磁耦來(lái)做。基于光耦的隔離器，Broadcom領(lǐng)先的共模瞬變抗擾度行業(yè)指標(biāo)在50 kV/μs，這已經(jīng)屬于光耦技術(shù)下很高的CMTI。在CMTI不如磁耦和容耦的情況下，光耦隔離必須另辟蹊徑來(lái)止住頹勢(shì)。有些光耦采用獨(dú)特的擴(kuò)散結(jié)制造，以低驅(qū)動(dòng)電流提供快前沿和降落時(shí)間，用于提高電路回路隔離上的共模抑制。
（圖源：Broadcom）
由于光耦在高壓工業(yè)控制環(huán)境上有厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢(shì)，雖然基于該技術(shù)的隔離已逐漸落于下風(fēng)，但在電機(jī)控制信號(hào)頻率較高的高壓場(chǎng)景還是有著穩(wěn)定的應(yīng)用（低于16 kHz的電機(jī)控制信號(hào)頻率會(huì)對(duì)光耦產(chǎn)生極大干擾）。
全面發(fā)展的容耦欠缺什么
作為替代光耦的方案，容耦和磁耦有很多相似之處，但又沒(méi)有磁耦那么突出，處于不溫不火的位置上。作為三種技術(shù)中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10μm。
在惡劣的電機(jī)應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)于擾亂電機(jī)控制的電壓瞬變，我們不能只看隔離器件的CMTI典型值，應(yīng)該看其最小的CMTI。光耦的最小CMTI在10 kV/μs左右，容耦的最小CMTI在60 kV/μs左右，磁耦在75kV/μs左右。容耦在抗擾度和傳輸速率上并沒(méi)有落下磁耦多少，但是在浪涌保護(hù)上卻力有不逮。
電機(jī)控制應(yīng)用中可能出現(xiàn)高壓瞬變或浪涌，這類(lèi)浪涌的峰值可能超過(guò)10000 V，而上升時(shí)間僅有1.2 μs。光耦是通過(guò)極厚的內(nèi)部絕緣層來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓浪涌保護(hù)的，對(duì)于采用二氧化硅的容耦隔離器件，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。它又無(wú)法像磁耦用聚酰亞胺在有限的厚度下做到極致的魯棒性，因此這意味著容耦的浪涌保護(hù)能力會(huì)比較有限。
改善延遲時(shí)序的磁耦應(yīng)用
基于磁耦的隔離CMTI性能明顯是優(yōu)于光耦的，這一類(lèi)隔離基于標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)，在功耗和速度上也有不小的提升。功耗和CMTI是大家選擇隔離器件時(shí)最先關(guān)注的指標(biāo)，當(dāng)然這是很重要的，但是常常被忽視的還有一個(gè)性能，那就是隔離器件的傳輸延遲。
作為衡量驅(qū)動(dòng)信號(hào)跨過(guò)隔離柵的指標(biāo)，傳輸延遲會(huì)根據(jù)隔離技術(shù)的不同呈現(xiàn)很大的差異。傳輸延遲是電機(jī)控制系統(tǒng)中極為重要的特性，更小的傳輸延遲能減少柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的限制，尤其在時(shí)序裕量上給予了系統(tǒng)更多靈活性。
基于光耦和磁耦的柵極驅(qū)動(dòng)延遲對(duì)比如下圖，數(shù)據(jù)取自一流隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的最大延遲。
傳輸延遲MAX 延遲偏差
光耦 700ns 200ns
磁耦 60ns 12ns
不難看出磁耦能夠更快速地傳輸?shù)礁綦x柵另一端。而且電機(jī)另一個(gè)極為重要的設(shè)置——死區(qū)時(shí)間，同樣會(huì)受到傳輸延遲的影響。MOSFET/IGBT的開(kāi)關(guān)延遲是影響電機(jī)死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)度的不和隔離傳輸延遲相關(guān)的因素，剩下的都會(huì)受到傳輸延遲失配影響。
在越來(lái)越高功率的電機(jī)應(yīng)用中，電機(jī)阻抗變低，如果傳輸延遲和偏差無(wú)法控制得很小，那么電機(jī)電流失真扭矩紋波增加會(huì)對(duì)電機(jī)造成極為不利的影響。在高CMTI之外，隔離器件通過(guò)改善傳輸延遲，賦予了電機(jī)應(yīng)用更靈活更可靠的設(shè)計(jì)。
小結(jié)
工業(yè)電機(jī)驅(qū)控的發(fā)展向著更高的開(kāi)關(guān)頻率，更小的死區(qū)時(shí)間，更快的開(kāi)關(guān)速度發(fā)展，同時(shí)對(duì)可靠性要求更高，需要越來(lái)越多的保護(hù)功能。在注重隔離器件抗擾度和功耗的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)多關(guān)注隔離器件在延遲縮短，死區(qū)時(shí)間縮短上的性能，這對(duì)于增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性與安全性同樣重要。
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