隔離是交流電壓電機驅動器不可或缺的一部分。提供電氣隔離的方法有幾種，主要使用光耦合器和數字隔離器。與傳統光耦合器相比，使用數字隔離器具有多種優勢，其中包括降低成本、減少元件數量和提高可靠性。本文將比較傳統電機控制器設計中的隔離方法，以突出數字隔離器的優勢。

光耦合器與數字隔離器背景

光耦合器利用來自LED的光將數據穿過隔離柵傳輸到光電二極管。當LED被驅動打開和關閉時，邏輯高電平和低電平信號在電隔離光電二極管側產生。光耦合器的速度與檢波器光電二極管的速度和為其二極管電容充電所需的時間直接相關。提高速度的一種方法是增加LED電流，但這是以增加功耗為代價的。

相比之下，基于變壓器的數字隔離器使用變壓器跨越隔離柵對數據進行磁耦合。變壓器通過線圈脈沖電流，產生一個小的局部磁場，在另一個線圈中感應電流。變壓器的傳輸速度本質上比光耦合器快得多。變壓器也是差分的，具有出色的共模瞬態抗擾度。此外，由于數字隔離器基于變壓器，而光耦合器基于LED，因此數字隔離器的可靠性/MTTF明顯優于光耦合器。

電機驅動設計中的隔離

圖1提供了波士頓工程公司開發的高壓FlexMC電機控制驅動器的框圖，該驅動器與ADSP-CM40x混合信號控制處理器接口。該驅動器接收通用交流輸入，提供功率因數校正（PFC）前端，并驅動永磁同步電機（PMSM），同時為ADSP-CM40x（ARM Cortex）上運行的有傳感器或無傳感器控制提供必要的反饋調理。??-M4混合信號控制處理器，具有16位高精度模擬前端。中心是高壓電力電子設備和控制器之間的隔離柵。電機電力電子器件在高壓電位下浮動，而ADSP-CM40x處理器以地為基準，因此需要隔離。本文將探討選擇數字隔離器而不是光耦合器如何改善這種設計。

圖1.電機控制框圖。

閉環電機控制設計的兩個關鍵硬件要素是脈寬調制 （PWM） 控制器輸出和電機相電流反饋。如框圖所示，這些信號通過隔離柵。此外，隔離器還具有其他幾種功能，包括數字通信和低電壓、低功耗、隔離式DC-DC轉換。

脈寬調制隔離

功率級的脈寬調制是所有電機驅動的核心。開關頻率通常在 10 kHz – 20 kHz 范圍內。在優化控制性能時，精確控制脈沖寬度、死區時間和通道間延遲至關重要。在為PWM控制信號選擇合適的隔離器件時，數字隔離器在性能和成本方面比同類光耦合器選項具有顯著優勢（參見表1所示的比較表）。

例如，控制器在開關信號之間引入死區時間，以防止任何高邊和低邊晶體管對同時導通（即直通）。區時間是電源開關開/關延遲和隔離電路引入的延遲不確定性的函數。ADuM1310數字隔離器提供的通道間匹配僅為2ns，而光耦合器為500 ns。利用數字隔離器可以大大減少死區時間，從而提高電源逆變器的性能。此外，從比較表中可以看出，除了性能之外，ADuM1310還提供集成度更高的解決方案，從而減少了元件數量和BOM成本。

電機相電流

大多數先進的電機驅動器利用電機相電流作為主要反饋。為了提供連續反饋，極低電阻分流電阻器與電機相位串聯。然而，這增加了嘗試測量毫伏級信號和數百伏共模電壓擺幅的復雜性，這些共模電壓擺幅以快速dv/dt在高頻下切換。在本設計中，使用兩個AD7401A隔離式Σ-Δ調制器測量電機繞組電流，然后通過ADSP-CM40x上的數字濾波電路處理數字比特流。ADSP-CM40x上的內置sinc濾波器允許與隔離式Σ-Δ調制器無縫連接。第三相電流可以通過數學方式從其他兩個相電流推導出來，以節省功耗和元件成本。AD7401A集成一個差分采樣保持級、一個Σ-Δ調制器和數字隔離，全部集成在單個封裝中。高壓側模擬信號被轉換為數字串行數據流，然后通過隔離柵傳輸到低壓側。AD7401A還內置一個時鐘輸入引線，允許使用單個時鐘源同時對每個器件進行測量。如表2所示，存在具有類似集成度和成本的光耦合器，但除了AD7401A的出色調制器性能外，基于器件的基本結構，數字隔離器技術仍可提供更好的功耗、速度性能和可靠性。

數字通信

I2C 是一種雙線、多點通信接口，通常用于為控制器提供數字或模擬 IO 擴展功能。這種方法通常保留用于定期監控或更新的“內務管理”類型的功能。FlexMC 高壓板使用 I2C 接口，用于與 PFC 控制器以及監控總線電壓、總線電流和 IGBT 溫度的 ADC 通信。ADuM1250允許ADSP-CM40x控制器通過單個隔離器僅利用兩線外設接口監控高壓側的所有這些功能。相比之下，沒有單個光耦合器器件可以提供I2C 隔離。因此，如表3所示，ADuM1250是I的光耦合器選項的明確選擇。2出于成本、尺寸、元件數量和性能的原因，C 隔離。

隔離電源

使用數字隔離器技術使這種設計受益的另一個領域是產生極低電平的隔離電源。兩個ADuM5000器件用于產生隔離式5 V電源，功率輸出能力高達500 mW。它們用于為Σ-Δ轉換器的模擬側供電，該轉換器隨快速變化的電機電壓浮動。這些隔離電源使用與數據隔離器相同的技術，因此它們具有一個開關頻率為180 MHz的內部變壓器。該頻率比標準DC-DC轉換器高三個數量級，尺寸要小得多。ADuM5000器件是一種在SOIC-16封裝中提供低功耗隔離電壓的簡單方法。

審核編輯：郭婷