幾種基于分流器的故障檢測(cè)方法

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）以及汽車系統(tǒng)（包括電動(dòng)汽車 (EV) 充電器、牽引逆變器、車載充電器和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)通過電流、電壓和溫度測(cè)量來診斷系統(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) 開關(guān)晶體管，從而實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度 (>100kHz) 和更短的耐受時(shí)間 (<5μs)。

要保護(hù)功率開關(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)的解決方案來檢測(cè)過流情況。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。

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流檢測(cè)。

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)來說可能會(huì)變得昂貴。

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。

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），可滿足日益增長的過流、過壓、過熱、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。

表 1：比較基于分流器的過流檢測(cè)方法

隨著提高系統(tǒng)彈性和采用更快的開關(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)行過流和過壓故障檢測(cè)”。

審核編輯：湯梓紅