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滿(mǎn)足大功率系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的故障檢測(cè)需求

發(fā)布時(shí)間:2022-04-24 來(lái)源:TI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】對(duì)于大功率工業(yè)系統(tǒng)(如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光伏逆變器)以及汽車(chē)系統(tǒng)(包括電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器、牽引逆變器、車(chē)載充電器和DC/DC轉(zhuǎn)換器)而言,故障檢測(cè)機(jī)制必不可少。


故障檢測(cè)通過(guò)電流、電壓和溫度測(cè)量來(lái)診斷系統(tǒng)內(nèi)的任何交流電源線波動(dòng)、機(jī)械或電氣過(guò)載。在檢測(cè)到故障事件后,主機(jī)微控制器 (MCU) 會(huì)執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作,例如關(guān)閉或修改功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性或使斷路器跳閘。


為了提高效率并減小系統(tǒng)尺寸,設(shè)計(jì)人員正從絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 改用寬帶隙碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開(kāi)關(guān)晶體管,從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度 (>100kHz) 和更短的耐受時(shí)間 (<5μs)。


要保護(hù)功率開(kāi)關(guān)晶體管免受故障條件的影響,首先要使用基于分流器或基于霍爾效應(yīng)的解決方案來(lái)檢測(cè)過(guò)流情況。雖然基于霍爾效應(yīng)的解決方案支持單模塊方法,但它們的測(cè)量精度很低,尤其在溫度升高的情況下。在基于分流器或基于霍爾效應(yīng)的解決方案之間進(jìn)行選擇時(shí),要考慮隔離規(guī)格和初級(jí)導(dǎo)體電阻等其他因素。雖然兩種解決方案中的初級(jí)導(dǎo)體電阻可能會(huì)產(chǎn)生相同的散熱量,但是,隨著分流器技術(shù)的改進(jìn),分流器現(xiàn)在的電阻要小得多,從而能夠更大限度地減少散熱,并在整個(gè)溫度和壽命范圍內(nèi)提供非常高的精度。


我們來(lái)看看幾種基于分流器的故障檢測(cè)方法:


使用隔離式放大器


圖1顯示了基于分流器的過(guò)流檢測(cè)解決方案,它有一個(gè)隔離式放大器和一個(gè)非隔離式比較器。如有必要,您可以使用同樣的隔離式放大器進(jìn)行反饋控制。MCU接收比較器的輸出并發(fā)送信號(hào),從而控制柵極驅(qū)動(dòng)器的使能引腳或改變進(jìn)入柵極驅(qū)動(dòng)器輸入的脈寬調(diào)制周期。


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圖 1:使用隔離式放大器和非隔離式比較器進(jìn)行故障檢測(cè)


使用隔離式放大器、基于分流器的方法為故障檢測(cè)和反饋控制提供了高測(cè)量精度,其中的隔離式放大器可提供基本隔離或增強(qiáng)隔離。


然而,隔離式放大器的傳播延遲為 2μs - 3μs。根據(jù)過(guò)流檢測(cè)的延遲要求,基于隔離式放大器的方法可能不夠快。


使用隔離式調(diào)制器


如圖2所示,可以使用隔離式調(diào)制器同時(shí)進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)和反饋控制。隔離式調(diào)制器的隔離式數(shù)據(jù)輸出 (DOUT) 以顯著更高的頻率提供由1和0組成的數(shù)字比特流。該比特流輸出的時(shí)間平均值與模擬輸入電壓成正比,MCU內(nèi)的數(shù)字濾波器重建測(cè)量信號(hào)。MCU可以使用相同的比特流輸出并行運(yùn)行多個(gè)數(shù)字濾波器,其中一個(gè)數(shù)字濾波器配置用于高精度反饋控制,另一個(gè)數(shù)字濾波器配置用于低延遲過(guò)流檢測(cè)。


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圖 2:使用隔離式調(diào)制器進(jìn)行故障檢測(cè)


與隔離式放大器相比,采用隔離式調(diào)制器的基于分流器的方法為故障檢測(cè)和反饋控制提供了更高測(cè)量精度。在最壞情況下,過(guò)流檢測(cè)的傳播延遲可低至1μs。


使用標(biāo)準(zhǔn)比較器和數(shù)字隔離器


圖3顯示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)非隔離式比較器,后跟用于過(guò)流檢測(cè)的數(shù)字隔離器,以及用于反饋控制的隔離式放大器或調(diào)制器。在最壞情況下,過(guò)流檢測(cè)的傳播延遲可低于1μs,具體取決于所選的比較器和數(shù)字隔離器。但是,分立式實(shí)施會(huì)占用更多印刷電路板 (PCB) 空間,并且對(duì)于需要更高精度的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)可能會(huì)變得昂貴。


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圖3:使用標(biāo)準(zhǔn)比較器和數(shù)字隔離器進(jìn)行故障檢測(cè)


使用隔離式比較器


圖4所示的隔離式比較器通過(guò)集成標(biāo)準(zhǔn)比較器和數(shù)字隔離器的功能,提供了一種小巧且超快的過(guò)流檢測(cè)方法。您可以使用隔離式放大器或隔離式調(diào)制器進(jìn)行反饋控制。


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圖 4:使用隔離式比較器進(jìn)行故障檢測(cè)


AMC23C12等隔離式比較器為故障檢測(cè)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的小尺寸解決方案。這些器件具有極低的延遲 (<400ns),可實(shí)現(xiàn)更快的過(guò)流檢測(cè)。AMC23C12集成了一個(gè)用于為高端供電的寬輸入范圍(3V - 27V)低壓降穩(wěn)壓器、一個(gè)單窗口比較器和一個(gè)電隔離層,與分立式實(shí)施相比,PCB面積減少高達(dá)50%,物料清單數(shù)量也更少。AMC23C12系列具有可調(diào)跳變閾值和低于3%的精度(在最壞情況下),可滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、欠壓和欠流檢測(cè)需求。


表 1 比較了各種基于分流器的故障檢測(cè)方法。


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表 1:比較基于分流器的過(guò)流檢測(cè)方法


隨著提高系統(tǒng)彈性和采用更快的開(kāi)關(guān)晶體管(如SiC和GaN)的需求激增,對(duì)準(zhǔn)確和快速故障檢測(cè)的需求變得更加重要。AMC23C12系列隔離式比較器可快速檢測(cè)各種故障事件,幫助設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)具有更高容錯(cuò)能力的高壓系統(tǒng)。


其他資源


?      請(qǐng)查看 TI 的隔離式放大器和調(diào)制器。

?      請(qǐng)閱讀模擬設(shè)計(jì)期刊文章“在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用隔離式比較器進(jìn)行過(guò)流和過(guò)壓故障檢測(cè)”。


關(guān)于德州儀器 (TI)


德州儀器(TI)(納斯達(dá)克股票代碼:TXN)是一家全球性的半導(dǎo)體公司,致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷(xiāo)售模擬和嵌入式處理芯片,用于工業(yè)、汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用,創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今,每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上,使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠,從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。 欲了解更多信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)公司網(wǎng)站http://www.ti.com.cn/。



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