【導讀】電機在工業(yè)領域具有廣泛的應用，而電機驅(qū)動系統(tǒng)的趨勢是高效率，高功率密度和高可靠性。功率半導體供應商不斷在導通損耗和開關速度上實現(xiàn)突破，推出更高的電流等級、更小的封裝尺寸以及更短的短路耐受時間的半導體器件。并且隨著寬禁帶半導體器件成本降低，也使得電機驅(qū)動系統(tǒng)逐步開始使用SiC,GaN器件。這些功率器件的發(fā)展及應用使得電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率以及功率密度得到了提高，但也對驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性，尤其過流及短路保護的響應時間提出了更高的要求。
本文將詳細介紹工業(yè)電機驅(qū)動系統(tǒng)中的過流現(xiàn)象，以及TI隔離比較器在過流保護中的應用。
電機驅(qū)動系統(tǒng)中的過流類型分析
一般工業(yè)電機驅(qū)動器的應用環(huán)境復雜且相對惡劣，可能會出現(xiàn)高溫、機械過載、交流線路瞬變以及接線錯誤等突發(fā)狀況，這些可能會導致過大的電流流入電機驅(qū)動器系統(tǒng)，從而導致驅(qū)動器損壞。電機驅(qū)動器系統(tǒng)中常見的三種過流現(xiàn)象如下圖所示。
圖1 橋臂直通
圖2 相對地短路
圖3 相間短路
1. 橋臂直通。電機驅(qū)動器橋臂直通可能由兩種情況導致：
○ 不正確的開關邏輯導致同一橋臂的兩個開關管同時開通，這種不正確的開關邏輯可能是由控制器故障或者電磁干擾引起的。
○ 其中一個開關管損壞短路，而另一個開關管保持正常開關。
2. 相對地短路。驅(qū)動器系統(tǒng)過溫或者過壓導致電機繞組絕緣擊穿，對地短路。這種過流現(xiàn)象可能會損壞電機線纜。
3. 相間短路。驅(qū)動器系統(tǒng)過溫或者過壓導致電機繞組絕緣擊穿，導致相對相短路。這種過流現(xiàn)象可能會損壞電機線纜。
相對而言，電機本體可以在較長的時間內(nèi)承受一定的過流；但開關管作為電機驅(qū)動系統(tǒng)中最重要的組成部分，對短路電流的耐受時間只有微秒級，所以有效的過流檢測和保護對電機系統(tǒng)的安全可靠具有重要意義。
隔離比較器在電機過流保護中的應用
目前電機驅(qū)動器系統(tǒng)常采用的過流檢測方案是通用比較器和隔離光耦的組合方案，這種方案的體積大，響應時間在3～5μs之間。過去IGBT對短路耐受時間是10 μs左右，而隨著功率器件的發(fā)展革新，短路耐受時間縮短到5 μs，甚至1 μs。
TI的隔離比較器產(chǎn)品AMC23C1x具有響應速度快（290ns）、參考閾值精度高（±1%）、體積小、功耗低等優(yōu)勢。低邊側供電電壓范圍是2.7～5V，高邊側供電電壓范圍是3～27V，高邊側的寬輸入電壓范圍使得隔離比較器的供電方式更加靈活，可以使用系統(tǒng)中的5V或者和驅(qū)動芯片共用電源。
TI隔離比較器產(chǎn)品集如下表，詳細性能信息，請參考TI官網(wǎng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。
以AMC23C12為例，其工作模式分為Latch和Transparent模式，可以通過芯片Latch引腳進行設置。并且正負比較器的翻轉電平Vit+和Vit-之間均存在4mV的滯環(huán)，以提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)。
圖4 功能波形圖
電機驅(qū)動器過流檢測方式主要有以下四種，其中前三種可以使用TI隔離比較器來實現(xiàn)。
圖5 DC_ 電流檢測
圖6 DC+ 電流檢測
圖7 相電流檢測
圖8 DESAT保護
1. DC_ 電流檢測，在DC_使用隔離運放進行電流檢測，電路設計簡單，可以實現(xiàn)對橋臂直通以及相間過流的保護，但是無法檢測到對地過流情況。
2. DC+ 電流檢測，在DC+使用隔離運放進行電流檢測，可實現(xiàn)對橋臂直通、相間過流以及對地過流的檢測與保護，增加系統(tǒng)的安全可靠性。但相對應地，需要額外的高邊電源給隔離比較器供電。
3. 相電流檢測，隔離比較器與隔離運放搭配使用，對相電流進行監(jiān)測，可以實現(xiàn)相間過流以及對地過流檢測，但是無法對橋臂直通進行有效檢測與保護。
4. DESAT保護一般集成在驅(qū)動芯片中，用于功率較大的電機驅(qū)動器系統(tǒng)，實現(xiàn)成本較高，且無法實現(xiàn)對地過流保護。
以上過流檢測及保護方案可以組合使用，以實現(xiàn)驅(qū)動器系統(tǒng)的可靠安全過流保護。
綜上，隨著功率器件的短路耐受時間下降至1 μs的水平，在極短的時間內(nèi)檢測并保護驅(qū)動器過流和短路情況正變得越來越重要。TI隔離比較器為實現(xiàn)工業(yè)電機驅(qū)動器的過流以及短路保護以及提高系統(tǒng)可靠性、減小系統(tǒng)體積提供了有效方案。
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