隔離器件與電機控制二三事
2022-10-17 11:43:11??????點擊：
在環境嚴苛的工業場景中，電機驅控與隔離是密不可分的。在一個電機系統中，往往包含著各式各樣的隔離器件，隔離ADC、隔離柵極驅動、隔離SPI等等。雖然引入隔離不可避免地會帶來功耗、延遲、成本和尺寸上的限制，但隨著隔離技術的革新以及電機驅控系統向著更高開關頻率、更小死區時間方向發展，工業電機對可靠性的要求越來越高，需要越來越多的保護功能。現在的電機系統要求隔離器件能夠抵御高壓瞬變，防止數據受擾，還能消除高壓瞬變對隔離器壽命的影響。
光耦落于下風？
基于光耦的隔離是用于電機驅控最傳統的辦法，一度是電機系統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與鄰近的低壓系統分離，從而隔離無用信號。光耦的內部絕緣層很厚，可以承受高壓，這是光耦一直很突出的性能。但光耦的缺點同樣明顯，那就是需要使用發光二極管。
其光強度，不可避免地會隨著時間推移和溫度變化而降低，導致時序性隨時間與溫度漂移。這不僅會影響性能，也會使器件的設計極度復雜化。另一方面，基于光耦的隔離在保持良好的CMTI和拓展上時常陷入兩難境地。如果要克服數據速率受限的問題，就必須在光耦的寄生電容上下手，但如此一來功耗一定會升高，而且會大大降低光耦的共模瞬變抗擾度。
即便是Broadcom這種在光耦技術上遙遙領先的廠商，在數字隔離器上也會選擇磁耦來做。基于光耦的隔離器，Broadcom領先的共模瞬變抗擾度行業指標在50 kV/μs，這已經屬于光耦技術下很高的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止住頹勢。有些光耦采用獨特的擴散結制造，以低驅動電流提供快前沿和降落時間，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控制環境上有厚絕緣層的耐壓優勢，雖然基于該技術的隔離已逐漸落于下風，但在電機控制信號頻率較高的高壓場景還是有著穩定的應用（低于16 kHz的電機控制信號頻率會對光耦產生極大干擾）。
全面發展的容耦欠缺什么
作為替代光耦的方案，容耦和磁耦有很多相似之處，但又沒有磁耦那么突出，處于不溫不火的位置上。作為三種技術中內部絕緣厚度最小的技術，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。
在惡劣的電機應用環境中，對于擾亂電機控制的電壓瞬變，我們不能只看隔離器件的CMTI典型值，應該看其最小的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有落下磁耦多少，但是在浪涌保護上卻力有不逮。
電機控制應用中可能出現高壓瞬變或浪涌，這類浪涌的峰值可能超過10000 V，而上升時間僅有1.2 μs。光耦是通過極厚的內部絕緣層來實現高壓浪涌保護的，對于采用二氧化硅的容耦隔離器件，為使內部應力不致引起裂縫，可制成的絕緣厚度是有限制的。它又無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能力會比較有限。
改善延遲時序的磁耦應用
基于磁耦的隔離CMTI性能明顯是優于光耦的，這一類隔離基于標準的CMOS技術，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最先關注的指標，當然這是很重要的，但是常常被忽視的還有一個性能，那就是隔離器件的傳輸延遲。
作為衡量驅動信號跨過隔離柵的指標，傳輸延遲會根據隔離技術的不同呈現很大的差異。傳輸延遲是電機控制系統中極為重要的特性，更小的傳輸延遲能減少柵極驅動設計的限制，尤其在時序裕量上給予了系統更多靈活性。
基于光耦和磁耦的柵極驅動延遲對比如下圖，數據取自一流隔離柵極驅動器的最大延遲。
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到隔離柵另一端。而且電機另一個極為重要的設置——死區時間，同樣會受到傳輸延遲的影響。MOSFET/IGBT的開關延遲是影響電機死區時間長度的不和隔離傳輸延遲相關的因素，剩下的都會受到傳輸延遲失配影響。
在越來越高功率的電機應用中，電機阻抗變低，如果傳輸延遲和偏差無法控制得很小，那么電機電流失真扭矩紋波增加會對電機造成極為不利的影響。在高CMTI之外，隔離器件通過改善傳輸延遲，賦予了電機應用更靈活更可靠的設計。
小結
工業電機驅控的發展向著更高的開關頻率，更小的死區時間，更快的開關速度發展，同時對可靠性要求更高，需要越來越多的保護功能。在注重隔離器件抗擾度和功耗的同時，應當多關注隔離器件在延遲縮短，死區時間縮短上的性能，這對于增強系統可靠性與安全性同樣重要。
光耦落于下風？
基于光耦的隔離是用于電機驅控最傳統的辦法，一度是電機系統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與鄰近的低壓系統分離，從而隔離無用信號。光耦的內部絕緣層很厚，可以承受高壓，這是光耦一直很突出的性能。但光耦的缺點同樣明顯，那就是需要使用發光二極管。
其光強度，不可避免地會隨著時間推移和溫度變化而降低，導致時序性隨時間與溫度漂移。這不僅會影響性能，也會使器件的設計極度復雜化。另一方面，基于光耦的隔離在保持良好的CMTI和拓展上時常陷入兩難境地。如果要克服數據速率受限的問題，就必須在光耦的寄生電容上下手，但如此一來功耗一定會升高，而且會大大降低光耦的共模瞬變抗擾度。
即便是Broadcom這種在光耦技術上遙遙領先的廠商，在數字隔離器上也會選擇磁耦來做。基于光耦的隔離器，Broadcom領先的共模瞬變抗擾度行業指標在50 kV/μs，這已經屬于光耦技術下很高的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止住頹勢。有些光耦采用獨特的擴散結制造，以低驅動電流提供快前沿和降落時間，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控制環境上有厚絕緣層的耐壓優勢，雖然基于該技術的隔離已逐漸落于下風，但在電機控制信號頻率較高的高壓場景還是有著穩定的應用（低于16 kHz的電機控制信號頻率會對光耦產生極大干擾）。
全面發展的容耦欠缺什么
作為替代光耦的方案，容耦和磁耦有很多相似之處，但又沒有磁耦那么突出，處于不溫不火的位置上。作為三種技術中內部絕緣厚度最小的技術，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。
在惡劣的電機應用環境中，對于擾亂電機控制的電壓瞬變，我們不能只看隔離器件的CMTI典型值，應該看其最小的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有落下磁耦多少，但是在浪涌保護上卻力有不逮。
電機控制應用中可能出現高壓瞬變或浪涌，這類浪涌的峰值可能超過10000 V，而上升時間僅有1.2 μs。光耦是通過極厚的內部絕緣層來實現高壓浪涌保護的，對于采用二氧化硅的容耦隔離器件，為使內部應力不致引起裂縫，可制成的絕緣厚度是有限制的。它又無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能力會比較有限。
改善延遲時序的磁耦應用
基于磁耦的隔離CMTI性能明顯是優于光耦的，這一類隔離基于標準的CMOS技術，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最先關注的指標，當然這是很重要的，但是常常被忽視的還有一個性能，那就是隔離器件的傳輸延遲。
作為衡量驅動信號跨過隔離柵的指標，傳輸延遲會根據隔離技術的不同呈現很大的差異。傳輸延遲是電機控制系統中極為重要的特性，更小的傳輸延遲能減少柵極驅動設計的限制，尤其在時序裕量上給予了系統更多靈活性。
基于光耦和磁耦的柵極驅動延遲對比如下圖，數據取自一流隔離柵極驅動器的最大延遲。
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到隔離柵另一端。而且電機另一個極為重要的設置——死區時間，同樣會受到傳輸延遲的影響。MOSFET/IGBT的開關延遲是影響電機死區時間長度的不和隔離傳輸延遲相關的因素，剩下的都會受到傳輸延遲失配影響。
在越來越高功率的電機應用中，電機阻抗變低，如果傳輸延遲和偏差無法控制得很小，那么電機電流失真扭矩紋波增加會對電機造成極為不利的影響。在高CMTI之外，隔離器件通過改善傳輸延遲，賦予了電機應用更靈活更可靠的設計。
小結
工業電機驅控的發展向著更高的開關頻率，更小的死區時間，更快的開關速度發展，同時對可靠性要求更高，需要越來越多的保護功能。在注重隔離器件抗擾度和功耗的同時，應當多關注隔離器件在延遲縮短，死區時間縮短上的性能，這對于增強系統可靠性與安全性同樣重要。
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