交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的隔離電壓感應(yīng)

汽車(chē)和工業(yè)終端設(shè)備，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、串式逆變器和機(jī)載充電器，在高電壓下運(yùn)行，不能安全地與人直接互動(dòng)。隔離電壓測(cè)量通過(guò)保護(hù)人類(lèi)免受高壓電路執(zhí)行一個(gè)功能的影響，有助于優(yōu)化操作和確保使用的安全性。

設(shè)計(jì)用于高性能，隔離放大器傳輸電壓測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)隔離屏障。確定隔離放大器選擇的標(biāo)準(zhǔn)包括隔離規(guī)格、輸入電壓范圍、精度要求，以及您計(jì)劃如何為高壓側(cè)供電——這是測(cè)量值在應(yīng)用程序中的位置經(jīng)常會(huì)影響的。本文通過(guò)評(píng)估交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)端設(shè)備的三種常見(jiàn)電壓測(cè)量，指導(dǎo)選擇正確的隔離放大器。

輸入電壓范圍的選擇、精度要求和您所選擇的高壓側(cè)功率方法的選擇取決于在應(yīng)用程序中測(cè)量的電壓節(jié)點(diǎn)的位置。

圖1是一個(gè)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化方框圖，其中有三個(gè)常見(jiàn)的電壓測(cè)量位置：左邊是交流電源，中間是直流連接，右邊是電機(jī)相位。隔離放大器由于其高精度和易于使用，是這些測(cè)量的優(yōu)良設(shè)備。

圖1。交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序。

如圖1的左側(cè)所示，在美國(guó)，交流電源的輸入通常被連接為一個(gè)三相中心接地的電力系統(tǒng)，電壓為120VRMS/208VRMS。在歐洲有230VRMS/400VRMS。這種電壓測(cè)量所需的精度通常很低，而且并不總是需要的。如果您要測(cè)量交流市電，請(qǐng)考慮具有雙極高阻抗輸入的設(shè)備，如TI的AMC1350或AMC3330。當(dāng)對(duì)中性電壓進(jìn)行三相交流電壓測(cè)量時(shí)，您可以使用單一的隔離電源供應(yīng)所有三個(gè)的隔離放大器進(jìn)行測(cè)量。在進(jìn)行三相交流電壓相相測(cè)量時(shí)，考慮使用集成C/直流轉(zhuǎn)換器的設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。圖2顯示了相應(yīng)的AMC3330電路圖。

圖2。AMC3330隔離放大器與一個(gè)內(nèi)部的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

要計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的脈寬調(diào)制（PWM）占空比，通常需要測(cè)量圖1中間所示的直流鏈路電壓，其精度為1%或更高。

在制動(dòng)操作期間，直流連接電壓增加，需要主動(dòng)限制，例如通過(guò)打開(kāi)再生制動(dòng)器來(lái)保護(hù)功率級(jí)。低延遲測(cè)量為過(guò)電壓事件提供了更快的反應(yīng)時(shí)間，使系統(tǒng)運(yùn)行更接近其硬件的限制，使更緊密的設(shè)計(jì)邊際和更低的系統(tǒng)成本。這個(gè)直流鏈路電容通常是幾個(gè)100μF，在維修設(shè)備之前確定直流鏈路電容器是否已正確放電到安全水平，需要在低電壓（<100?V）下進(jìn)行精確測(cè)量。

此外，高分辨率的交流紋波測(cè)量允許一個(gè)連接的交流電源的相位檢測(cè)損失，潛在地消除了一個(gè)單獨(dú)的柵邊相位測(cè)量的需要。紋波電壓的頻率是60hz的360Hz三相電機(jī)電壓或300Hz為50-Hz的三相電機(jī)電壓，因?yàn)橛辛鶄€(gè)半波被糾正。在低負(fù)載下（當(dāng)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)時(shí)），紋波電壓的大小可以是非常低；因此，您可能更喜歡一個(gè)調(diào)制器的最高分辨率的測(cè)量。以獲取更多關(guān)于隔離放大器vs的信息。隔離調(diào)制器，見(jiàn)。具有單極輸入范圍的隔離放大器，如AMC1351（具有0至5V輸入范圍）或AMC1311（具有0到2V輸入范圍）是專門(mén)為直流鏈路電壓測(cè)量設(shè)計(jì)的。它們需要一個(gè)參考DCto的本地電源，如圖3所示的隔離變壓器電路。另一種方法是使用集成DC/DC的AMC3330變換器

圖3。AMC1311隔離放大器與分立隔離變壓器電路。

測(cè)量實(shí)際的相位電壓，而不是基于直流鏈路測(cè)量和PWM占空比來(lái)估計(jì)相位電壓，進(jìn)一步提高了無(wú)傳感器交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能。直接測(cè)量相位電壓得到了更精確的結(jié)果，因?yàn)樗讼到y(tǒng)中的所有損失和PWM死時(shí)間失真的影響。

一種方法是測(cè)量直流導(dǎo)軌的所有三個(gè)相，用三個(gè)單極輸入隔離放大器和一個(gè)隔離電源（如圖3所示）為所有三個(gè)隔離放大器的高側(cè)供電。另一種節(jié)省硬件成本的方法是只測(cè)量?jī)蓚€(gè)相對(duì)電壓并計(jì)算第三個(gè)電壓。這種方法只需要兩個(gè)隔離的放大器與雙極輸入范圍和在固件側(cè)最小的額外努力。這兩個(gè)測(cè)量是

針對(duì)其中一個(gè)相位電壓進(jìn)行的，這需要供電的隔離來(lái)自頂部絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）的浮動(dòng)高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器電源的放大器，如圖4所示。具有內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，如AMC3330，極大地簡(jiǎn)化了電路，使額外的空間節(jié)省和更高的系統(tǒng)效率。

圖4。AMC1350隔離放大器與一個(gè)浮動(dòng)電源。

對(duì)于每一個(gè)電壓測(cè)量，電阻分頻器必須縮小高壓節(jié)點(diǎn)，以匹配隔離放大器[4]的輸入范圍。在設(shè)計(jì)一個(gè)電阻器?分頻器電路時(shí)，有三個(gè)常見(jiàn)的挑戰(zhàn)：

來(lái)自隔離放大器的輸入偏置電流，產(chǎn)生偏置誤差。

傳感電阻與隔離放大器的輸入阻抗并行，降低了有效的傳感電阻并產(chǎn)生增益誤差。

此外，由于過(guò)程的變化，隔離放大器的輸入阻抗可以在不同設(shè)備之間變化±20%，如果無(wú)法解釋，將顯示為增益誤差。電阻分頻器和隔離放大器的輸入阻抗中的溫度漂移。

從TI的隔離電壓傳感放大器線中選擇具有高輸入阻抗和可忽略輸入偏置電流的器件，大大減少了克服這些挑戰(zhàn)所需的努力；然而，可以使用輸入偏置電流[5]的低輸入阻抗隔離放大器設(shè)計(jì)高精度電壓測(cè)量電路。

輸入范圍的隔離放大器對(duì)輸入噪聲提供較低的靈敏度，并允許在低輸入電平下提供更高的精度。然而，較高的輸入電壓器件通常具有較低的輸入阻抗，如表1所示，并需要進(jìn)行增益校準(zhǔn)，以達(dá)到最高的精度水平。高阻抗輸入設(shè)備提供了更高的未校準(zhǔn)精度，并減少了設(shè)計(jì)工作量。

高阻抗電壓測(cè)量隔離放大器，允許您在成本、性能、易于實(shí)現(xiàn)和板空間之間做出正確的權(quán)衡，以優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足您的要求，并滿足行業(yè)隔離性能標(biāo)準(zhǔn)。

審核編輯黃宇