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隔離用戶及敏感電子部件是電機控制系統的重要考慮事項。安全隔離用于保護用戶免受有害電壓影響，功能隔離則專門用來保護設備和器件。電機控制系統可能包含各種各樣的隔離器件，例如：驅動電路中的隔離式柵極驅動器；檢測電路中的隔離式ADC、放大器和傳感器；以及通信電路中的隔離式SPI、RS-485、標準數字隔離器。無論是出于安全原因，還是為了優化性能，都要求精心選擇這些器件。
雖然隔離是很重要的系統考慮，但它也存在缺點：會提高功耗，跨過隔離柵傳輸數據會產生延遲，而且會增加系統成本。系統設計師傳統上求助于光隔離方案，多年來，它是系統隔離的當然選擇。最近十年來，基于磁性(變壓器傳輸)方法的數字隔離器提供了一種可行且在很多時候更優越的替代方案；從系統角度考慮，它還具備系統設計師可能尚未認識到的優點。
本文將討論這兩種隔離解決方案，重點論述磁隔離對延遲時序性能的改善，以及由此給電機控制應用在系統層面帶來的好處。
隔離方法
光耦利用光作為主要傳輸方法，如圖1所示。發送側包括一個LED，高電平信號開啟LED，低電平信號關閉LED。接收側利用光電檢測器將接收到的光信號轉換回電信號。隔離由LED與光電檢測器之間的塑封材料提供，但也可利用額外的隔離層(通常基于聚合物)予以增強。
圖1. 光耦結構
光耦的最大缺點之一是：LED老化，會使傳輸特性漂移；設計人員必須考慮這一額外問題。LED老化導致時序性能隨著時間和溫度而漂移。因此，信號傳輸和上升/下降時間會受影響，使設計復雜化，尤其是考慮到本文后面要處理的問題。
光耦的性能擴展也是受限的。為了提高數據速率，必須克服光耦固有的寄生電容問題，該問題會導致功耗升高。寄生電容還會提供耦合機制，導致基于光耦的隔離器件的CMTI(共模瞬變抗擾度)性能劣于競爭方案。
磁隔離器(基于變壓器)已大規模應用十多年，是光耦合器的有效替代方案。這類隔離器基于標準CMOS技術，采用磁傳輸原理，隔離層由聚酰亞胺或二氧化硅構成，如圖2所示。低電平電流以脈沖方式通過線圈傳輸，產生一個磁場，磁場穿過隔離柵，在隔離柵另一側的第二線圈中感生一個電流。由于采用標準CMOS結構，其在功耗和速度方面具有明顯優勢，而且不存在光耦合器相關的壽命偏差問題。此外，基于變壓器的隔離器的CMTI性能優于基于光耦合器的隔離器。
圖2. 磁性變壓器結構
基于變壓器的隔離器還允許使用常規的信號處理模塊(防止傳輸雜散輸入)和高級傳輸編解碼機制。這樣就可以實現雙向數據傳輸，使用不同編碼方案來優化功耗與傳輸速率的關系，以及將重要信號更快速、更一致地傳輸到隔離柵另一端。
延遲特性比較
所有隔離器的一個重要但常常被輕視的特性是其傳輸延遲。此特性衡量信號(可以是驅動信號或故障檢測信號)沿任一方向跨過隔離柵所需的時間。技術不同，傳輸延遲差別很大。通常提供的是典型延遲值，但系統設計師特別關注最大延遲，它是設計電機控制系統需要考慮的重要特性。表1給出了光耦合器和磁隔離柵極驅動器的傳輸延遲和延遲偏差值示例。
表1： 光耦合器和磁隔離器的典型延遲特性
如表1所示，磁隔離在最大延遲和延遲可重復性(偏差)方面優勢明顯。這樣，電機控制設計人員對設計將更有信心，無需增加時序裕量以滿足柵極驅動器特性。對于電機控制系統的性能和安全，這都有著非常重要的意義。
對電機控制系統的系統影響
圖3顯示了交流電機控制應用中采用的典型三相逆變器。該逆變器由直流母線供電，直流電源通常是通過二極管橋式整流器和容性/感性-容性濾波器直接從交流電源產生。在大部分工業應用中，直流母線電壓在300 V至1000 V范圍內。采用脈寬調制(PWM)方案，以5 kHz至10 kHz的典型頻率切換功率晶體管T1至T6，從而在電機端子上產生可變電壓、可變頻率的三相正弦交流電壓。
圖3. 電機控制應用中的三相逆變器
PWM信號(如PWMaH和PWMaL)在電機控制器(一般用處理器和/或FPGA實現)中產生。這些信號一般是低壓信號，與處理器共地。為了正確開啟和關閉功率晶體管，邏輯電平信號的電壓電平和電流驅動能力必須被放大， 另外還必須進行電平轉換，從而以相關功率晶體管發射極為接地基準。根據處理器在系統中的位置，這些信號可能還需要安全絕緣。
柵極驅動器(如圖3中的GDRVaL和GDRVaH)執行這種功能。每個柵極驅動器IC都需要一個以處理器地為基準的原邊電源電壓和一個以晶體管發射極為基準的副邊電源。副邊電源的電壓電平必須能夠開啟功率晶體管(通常為15 V)，并有足夠的電流驅動能力來給晶體管柵極充電和放電。
