技術

滿足大功率系統不斷增長的故障檢測需求

2025China.cn   2022年04月14日

  對于大功率工業系統(如電機驅動器和光伏逆變器)以及汽車系統(包括電動汽車 (EV) 充電器、牽引逆變器、車載充電器和DC/DC轉換器)而言,故障檢測機制必不可少。

  故障檢測通過電流、電壓和溫度測量來診斷系統內的任何交流電源線波動、機械或電氣過載。在檢測到故障事件后,主機微控制器 (MCU) 會執行保護動作,例如關閉或修改功率晶體管的開關特性或使斷路器跳閘。

  為了提高效率并減小系統尺寸,設計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) 開關晶體管,從而實現更快的開關速度 (>100kHz) 和更短的耐受時間 (<5μs)。

  要保護功率開關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的解決方案來檢測過流情況。雖然基于霍爾效應的解決方案支持單模塊方法,但它們的測量精度很低,尤其在溫度升高的情況下。在基于分流器或基于霍爾效應的解決方案之間進行選擇時,要考慮隔離規格和初級導體電阻等其他因素。雖然兩種解決方案中的初級導體電阻可能會產生相同的散熱量,但是,隨著分流器技術的改進,分流器現在的電阻要小得多,從而能夠更大限度地減少散熱,并在整個溫度和壽命范圍內提供非常高的精度。

  我們來看看幾種基于分流器的故障檢測方法:

  使用隔離式放大器

  圖1顯示了基于分流器的過流檢測解決方案,它有一個隔離式放大器和一個非隔離式比較器。如有必要,您可以使用同樣的隔離式放大器進行反饋控制。MCU接收比較器的輸出并發送信號,從而控制柵極驅動器的使能引腳或改變進入柵極驅動器輸入的脈寬調制周期。

圖 1:使用隔離式放大器和非隔離式比較器進行故障檢測

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

  然而,隔離式放大器的傳播延遲為 2μs - 3μs。根據過流檢測的延遲要求,基于隔離式放大器的方法可能不夠快。

  使用隔離式調制器

  如圖2所示,可以使用隔離式調制器同時進行過流檢測和反饋控制。隔離式調制器的隔離式數據輸出 (DOUT) 以顯著更高的頻率提供由1和0組成的數字比特流。該比特流輸出的時間平均值與模擬輸入電壓成正比,MCU內的數字濾波器重建測量信號。MCU可以使用相同的比特流輸出并行運行多個數字濾波器,其中一個數字濾波器配置用于高精度反饋控制,另一個數字濾波器配置用于低延遲過流檢測。

圖 2:使用隔離式調制器進行故障檢測

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

  使用標準比較器和數字隔離器

  圖3顯示了一個標準非隔離式比較器,后跟用于過流檢測的數字隔離器,以及用于反饋控制的隔離式放大器或調制器。在最壞情況下,過流檢測的傳播延遲可低于1μs,具體取決于所選的比較器和數字隔離器。但是,分立式實施會占用更多印刷電路板 (PCB) 空間,并且對于需要更高精度的設計來說可能會變得昂貴。

圖3:使用標準比較器和數字隔離器進行故障檢測

  使用隔離式比較器

  圖4所示的隔離式比較器通過集成標準比較器和數字隔離器的功能,提供了一種小巧且超快的過流檢測方法。您可以使用隔離式放大器或隔離式調制器進行反饋控制。

圖 4:使用隔離式比較器進行故障檢測

  AMC23C12等隔離式比較器為故障檢測提供了一種經濟高效的小尺寸解決方案。這些器件具有極低的延遲 (<400ns),可實現更快的過流檢測。AMC23C12集成了一個用于為高端供電的寬輸入范圍(3V - 27V)低壓降穩壓器、一個單窗口比較器和一個電隔離層,與分立式實施相比,PCB面積減少高達50%,物料清單數量也更少。AMC23C12系列具有可調跳變閾值和低于3%的精度(在最壞情況下),可滿足日益增長的過流、過壓、過熱、欠壓和欠流檢測需求。

  表 1 比較了各種基于分流器的故障檢測方法。

表 1:比較基于分流器的過流檢測方法

  隨著提高系統彈性和采用更快的開關晶體管(如SiC和GaN)的需求激增,對準確和快速故障檢測的需求變得更加重要。AMC23C12系列隔離式比較器可快速檢測各種故障事件,幫助設計人員開發具有更高容錯能力的高壓系統。

(德州儀器供稿)

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