电容隔离原理（电容隔离 工作原理）

信号和电源隔离有助于确保交流电机驱动系统的稳定运行并保护操作员免受高压危险。

但并非所有隔离技术都能满足所有需求，特别是在器件寿命和温度性能方面。

为了解决交流(AC) 电机设计挑战，本白皮书将德州仪器(TI) 基于电容器的隔离技术与传统隔离技术进行了比较，包括用于功率级隔离的隔离栅极驱动器、隔离电压、电流反馈或控制模块数字输入。

什么是交流电机驱动系统？

交流电机驱动器是一种使用交流输入的感应电机，如图1所示，可以驱动大型工业负载，例如商业建筑中的供暖、通风、空调、泵和压缩机。交流电机还可以驱动工厂自动化和需要调节速度的工业负载，例如传送带或隧道、采矿和造纸设备。

交流电机驱动器获取交流能量，将其整流为直流母线电压，实施复杂的控制算法，然后根据负载需求通过复杂的控制算法将直流电转换回交流电。

图2 显示了交流电机驱动系统的框图，其中功率级和电源标记为绿色。

交流电机驱动器中的隔离

电机驱动系统（例如交流电机驱动器）包含高电压和高功率水平；因此，必须采取措施保护操作员和整个系统的关键组件。

此外，还需要保护控制器和通信外围设备等关键系统组件免受电机驱动器中高功率和高压电路的影响。根据国际电工委员会61800-5-1安全标准的定义，电路之间的隔离可以通过半导体集成电路（IC）在组件级隔离来实现。

隔离IC 在高电压和低电压单元之间传输数据和电力，同时防止任何危险的直流电流或不受控制的瞬态电流。通常，隔离器通过隔离栅提供电路内所需的绝缘水平。隔离栅将高电压与人类可触及的部件分开。

图2. 交流电机驱动框图

在交流电机驱动器中实现隔离

在交流电机驱动器中实现隔离栅时，设计人员有多种选择，但在过去40 年中，在系统中实现电流隔离的最常见设备是光耦合器，也称为光隔离器或光耦合器。尽管光耦合器具有成本效益且普遍存在，但它们无法提供与最新隔离方法相同水平的温度性能或器件寿命。

TI 的电容隔离技术在使用二氧化硅（基本片上绝缘）作为电介质的电容电路中集成了增强型信号隔离。与光耦合器不同，隔离电路可以与同一芯片上的其他电路集成。通过此工艺制造的隔离器可提供可靠性、抗冲击性和增强的隔离性，相当于单个封装中的两个基本隔离级别。

以下部分探讨了与交流电机驱动设计中的隔离相关的三个关键设计挑战，同时还强调了电容隔离相对于光耦合器的优势。

隔离功率级中的栅极驱动器

交流电机驱动器功率级中使用的功率转换器拓扑是一种三相逆变器拓扑，用于传输千瓦至兆瓦范围的功率。这些逆变器将直流电转换为交流电。典型的直流母线电压为600 V-1,200V。三相逆变器使用六个隔离栅极驱动器来打开和关闭电源开关（通常是一组绝缘栅晶体管[IGBT] 或IGBT 模块）。由于其卓越的性能，设计人员开始使用宽带隙器件，例如碳化硅(SiC) 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 或模块。

每个相位都使用高侧和低侧IGBT 开关，通常在20kHz 至30kHz 范围内运行，以交替模式向电机绕组施加正负高压直流脉冲。每个IGBT 或SiC 模块均由单个隔离栅极驱动器驱动。栅极驱动器的高压输出与控制器的低压控制输入之间的隔离是产生电流的。栅极驱动器将来自控制器的脉宽调制(PWM) 信号转换为场效应晶体管(FET) 或IGBT 的栅极脉冲。此外，这些栅极驱动器需要具有集成保护功能，例如去饱和、有源米勒钳位和软关断。

隔离式栅极驱动器有两侧：初级侧（即输入级）和次级侧（连接到FET）。初级侧有两种类型的输入级：基于电压的和基于电流的。通过输入级，栅极驱动器可以连接到控制器，该控制器告诉栅极驱动器在指定时间打开或关闭。

使用基于电流的输入级的光耦合器栅极驱动器通常用于驱动电机驱动应用中的IGBT。基于电流的输入级往往具有更好的抗噪声能力，因此控制器和光耦合器之间需要一个缓冲级。使用缓冲级的基于电流的输入级驱动器通常也消耗更多的功率。

传统的光耦合器栅极驱动器确实面临一些挑战：

输入级LED 的性能会随着时间的推移而降低，这会影响器件的使用寿命，并可能导致传播延迟时间增加，从而影响系统性能。

它们较低的共模瞬态抗扰度(CMTI) 限制了功率FET 的开关速度。

它们通常只支持较低的工作温度范围，因此很难创建更紧凑的设计。

TI 提供采用电容隔离技术的隔离式栅极驱动器，以帮助克服光耦合器中的一些常见设计挑战。

图3 对传统光耦合器栅极驱动器与TI 使用电容隔离的隔离式栅极驱动器进行了比较。 TI 的电容隔离式栅极驱动器具有更高的CMTI 额定值、更宽的工作温度范围以及改进的时序规格（例如部件间偏差和传播延迟）。

图3. 光耦合器隔离栅极驱动器(a) 和电容隔离栅极驱动器(b) 的比较

隔离电流和电压反馈

交流电机驱动器使用由电压和电流反馈测量组成的闭环控制系统来控制交流电机的速度和扭矩。由于电压和电流反馈是在高压侧测量的，因此信号必须与低压控制器侧隔离。

在电机三相各相上测量的同轴相电流用于导出用于控制IGBT 的最佳PWM 模式。这些同轴相电流测量的精度、噪声、带宽、延迟和CMTI 直接影响电机的扭矩和速度输出曲线。

如图4 所示，与光耦合放大器和调制器相比，电容耦合隔离放大器和调制器具有更短的信号传播延迟、更好的CMTI 以及更长的寿命和可靠性。

应用笔记“比较HEV/EV 中基于分流器和基于霍尔的隔离电流传感解决方案”提供了基于分流器和基于霍尔的电流传感方法在隔离级别、精度、温度范围、带宽和噪声方面的详细比较。

图5 显示了使用隔离放大器进行基于分流器的电流感测和基于电阻分压器的电压感测的反馈感测环路的典型框图。相电流测量是通过分流电阻RSHUNT完成的。

图4. 隔离放大器示例(a)；和一个隔离调制器(b)

图5. 实现典型的电流和电压反馈

与光耦合器相比，TI 的隔离放大器支持极小的双向输入电压范围，并具有高CMTI 和整体精度。这些功能可在嘈杂的电机驱动环境中实现可靠的电流感应。这些器件的高阻抗输入和宽输入电压范围使其成为直流链路总线电压感测的理想选择。

隔离控制模块中的数字输入

交流电机驱动器中的控制模块以位置反馈模块的输入、模拟量输入和数字量输入为基础，负责电机驱动系统的信号处理和整体控制算法。这些数字输入通常是来自现场传感器和开关的24 V 信号，用于传送紧急停止信号（例如安全扭矩关闭(STO)）或有关电机运行的信息（例如速度和位置）。

当与控制算法一起使用时，这些数字信号输入将对功率级进行任何必要的调整，以实现目标输出。将控制模块与数字输入隔离可防止接地电位差导致通信错误。

尽管光耦合器已用于隔离数字输入，但数字隔离器技术的最新发展彻底改变了系统设计人员设计数字输入的方式。

图6 显示了用于隔离数字输入的光耦合器的常见解决方案。该解决方案使用多个分立元件（9 至15）来实现电流限制和受控电压阈值。

使用这种复杂的解决方案，电流限制可以远高于2 mA 的目标电流限制，并且在整个温度范围内可能高达6 mA（取决于设计）。此外，光耦合器后面的施密特触发器缓冲器提供滞后以实现抗噪性。图7 显示了一个简化的解决方案，即专为数字输入应用而设计的专用数字隔离器。使用TI 电容隔离技术的器件可实现电流限制