為采用增強(qiáng)隔離的電機(jī)控制應(yīng)用選擇適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔離標(biāo)準(zhǔn)

作者：Cathal Sheehan Bourns? Electronics Nicola O’Byrne ADI公司

簡(jiǎn)介

在受益于新型數(shù)字隔離技術(shù)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用電流檢測(cè)電阻已成為一個(gè)趨勢(shì)。元件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60747-17規(guī)定了容性和磁性耦合隔離器的性能、測(cè)試和認(rèn)證要求，該標(biāo)準(zhǔn)的引入使得此類技術(shù)能夠提供更高的可靠性。數(shù)字隔離還有其他好處，例如：環(huán)路響應(yīng)更快、支持集成過(guò)流保護(hù)以及死區(qū)更窄等。這使得輸出電壓更平順，進(jìn)而對(duì)扭矩的控制也更得力。本文會(huì)簡(jiǎn)要介紹傳統(tǒng)光耦合器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與用于增強(qiáng)隔離的感性和容性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。另外也會(huì)概述一個(gè)采用數(shù)字控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其集成了電流檢測(cè)電阻以檢測(cè)繞組電流。本文還會(huì)就如何為此應(yīng)用選擇最合適的電流檢測(cè)電阻提供一些建議。

適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔離標(biāo)準(zhǔn)更新信息

電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)人員大都知道設(shè)計(jì)需要滿足國(guó)際隔離標(biāo)準(zhǔn)。隔離很重要，原因如下：

* 防止高功率電路地連接的電氣噪聲感應(yīng)到低功率信號(hào)線路上。* 防止危險(xiǎn)電壓和電流傳輸?shù)轿：^低的低壓環(huán)境，保障最終用戶的安全。

IEC 61010-1第3版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須知曉導(dǎo)體間距離、電氣間隙和爬電距離。它還規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須知道應(yīng)將導(dǎo)線與罐裝、模塑料和薄膜絕緣層中的金屬部件分離。如果器件用在需符合IEC61010-1標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保所選器件能保證一定的安全性。根據(jù)IEC 60747-17標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)隔離要利用行業(yè)公認(rèn)的經(jīng)時(shí)電介質(zhì)擊穿(TDDB)分析進(jìn)行測(cè)試，這樣有助于推斷器件的使用壽命和連續(xù)工作電壓(VIORM)。

IEC 60747-17 (DIN V VDE V 0884-11)明確定義了采用感性和容性技術(shù)的絕緣，而公認(rèn)的IEC 60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)則被用來(lái)定義采用光耦合器技術(shù)的絕緣。然而，IEC 60747-5-5沒(méi)有規(guī)定通過(guò)TDDB分析來(lái)確定連續(xù)工作電壓和使用壽命。它依賴局部放電電壓測(cè)試來(lái)確定工作電壓，但并未定義器件的工作壽命。因此，感性和容性技術(shù)的最低額定壽命為37.5年，而對(duì)光耦合器隔離器則未作規(guī)定。

表1總結(jié)了光耦合器和非光耦合器標(biāo)準(zhǔn)的主要差異。結(jié)論是隨著時(shí)間推移，基于非光耦合器的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)被更廣泛地接受，因?yàn)槠鋵?duì)設(shè)計(jì)工程師而言安全性更高，并且具有更長(zhǎng)的工作壽命。

表1. 光耦合器和非光耦合器隔離的主要區(qū)別

采用檢測(cè)電阻的典型增強(qiáng)隔離系統(tǒng)

圖1所示為一個(gè)典型三相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其利用檢測(cè)電阻測(cè)量繞組電流，并通過(guò)ADI公司的AD7403隔離式Σ-Δ調(diào)制器和sinc3濾波器提供反饋。AD7403使用單個(gè)二階調(diào)制器數(shù)字化電路來(lái)將檢測(cè)電阻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為隔離的一位數(shù)字脈沖流，其大小取決于滿量程輸入電壓范圍。然后，sinc3濾波器提取電流平均值，同時(shí)消除逆變器開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。其存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)一個(gè)代表電流的16位整數(shù)，與此同時(shí)，它可以將該數(shù)值與一個(gè)代表電流限值的基準(zhǔn)值相比較，如果發(fā)生過(guò)載，它就會(huì)通過(guò)單獨(dú)的引腳發(fā)送警報(bào)。利用更短的濾波器監(jiān)控過(guò)載，并將其與測(cè)量濾波器并聯(lián)，可以縮短警報(bào)延遲時(shí)間。

AD7403具有增強(qiáng)隔離特性，調(diào)制器可以直接測(cè)量電流檢測(cè)電阻的電壓，除了一個(gè)由電阻和電容構(gòu)成的簡(jiǎn)單分立低通濾波器以外，不需要其他額外元件。調(diào)制器的額定最大工作電壓為±250 mV，因而電流檢測(cè)電阻的阻值需小于250 mV/IMAX。

選擇合適檢測(cè)電阻的考慮因素

電阻溫漂

AD7403的輸出為16位數(shù)值，因此限制電流測(cè)量潛在精度不是受限于ADC轉(zhuǎn)換，而是受限于電壓讀數(shù)本身。電阻隨溫度的漂移取決于電阻元件使用的材質(zhì)、功率額定值和元件的實(shí)際尺寸。

由鎳、銅、錳特殊合金制成的阻性元件的電阻溫漂曲線呈拋物線形狀，如圖2所示。對(duì)于電流檢測(cè)應(yīng)用，這些合金是精度最高的材料。圖2還顯示了Bourns CSS4J-4026R型電阻溫漂的上限和下限，對(duì)應(yīng)于50 ppm/°C的溫度系數(shù)。此差距是由電阻的銅引腳引起的，銅具有很高的TCR (4000 ppm/°C)，導(dǎo)致溫漂增加。

Bourns CST0612系列是由特殊合金制成的1 W、4引腳電阻。其尺寸為3.2 mm × 1.65 mm，TCR為±100 ppm/°C，Bourns CST0612型和CSS4J-4026R型的TCR差異可以用銅含量相對(duì)于阻性元件的比例來(lái)解釋。增加低熱阻的銅有助于元件吸收高功率而不會(huì)過(guò)熱。

本例展示了元件尺寸、功率額定值和阻值溫漂的取舍關(guān)系。

電阻溫漂計(jì)算

讓我們以Bourns產(chǎn)品型號(hào)CSS4J-4026R-L500F為例，計(jì)算其在全功率和70°C環(huán)境溫度下的電阻溫漂。CSS4J-4026R-L500F是一款0.5mΩ (±1%)檢測(cè)電阻，額定功率為5 W，最高環(huán)境溫度為130°C。在170°C時(shí)，其額定功率從100%減額至0 W。因此，該元件的熱阻為8°C/W。在全功率和70°C環(huán)境溫度下，預(yù)期元件的表面溫度會(huì)達(dá)到110°C (70°C + 8×5°C)。110°C時(shí)的阻值溫漂可以從圖3得知，25°C時(shí)的標(biāo)稱值為+0.45%。絕對(duì)容差為±1%，因此電流測(cè)量精度最大值為+1.45%。

過(guò)載

電機(jī)驅(qū)動(dòng)偶爾會(huì)發(fā)生短路，電流檢測(cè)電阻必須能夠承受短時(shí)過(guò)載而不受損。以Bourns CST0612型電流檢測(cè)電阻為例，根據(jù)Bourns網(wǎng)站上的材料數(shù)據(jù)表，可以算出此元件的質(zhì)量為0.0132 g。另外，也可以根據(jù)尺寸及銅合金的密度(8.4 g/cm3)來(lái)計(jì)算。溫升速率可計(jì)算如下：

其中，P為功率(W)，m為元件質(zhì)量(g)，C為合金的比熱容量。1 mΩ的電阻過(guò)載50 A時(shí)，會(huì)產(chǎn)生每秒462°C的溫度壓擺率。假設(shè)穩(wěn)態(tài)溫度為50°C，則短路周期的寬度不能超過(guò)0.22秒。通過(guò)在電路板上鍍銅以增加整體質(zhì)量，可以延長(zhǎng)此寬度。

在相同過(guò)載下，使用較厚、較大的元件時(shí)，例如質(zhì)量為0.371 g的CSS4J-4026型電阻，溫度壓擺率將是每秒16.5°C。假設(shè)元件表面溫度為100°C，則它承受該能量的最長(zhǎng)時(shí)間將是4秒，然后表面溫度才會(huì)達(dá)到最大允許值170°C。

合適的阻值

電阻提供的AD7403滿量程輸入為±250 mV。表2中的矩陣列出了最大電流時(shí)Bourns高功率電流檢測(cè)電阻上的壓降。對(duì)于較低電壓，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)調(diào)整比例因子來(lái)補(bǔ)償。

表2. 最大電流和Bourns電流檢測(cè)電阻上的壓降

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)IEC60747-17，具有增強(qiáng)隔離性能的數(shù)字隔離器的最低壽命應(yīng)為37.5年。雖然更傳統(tǒng)的光耦合器技術(shù)沒(méi)有此類指標(biāo)，但未來(lái)數(shù)字隔離系統(tǒng)會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)人員提供更多保障。利用特殊合金制成的電流檢測(cè)電阻具有很低的電阻溫漂，其產(chǎn)生的輸出電壓可以由隔離式Σ-Δ調(diào)制器（例如采用ADI iCoupler?技術(shù)的器件）用一個(gè)可調(diào)整比例因子來(lái)讀取。電流測(cè)量的精度取決于電阻溫度，后者又取決于功率相對(duì)于額定功率的比例以及環(huán)境溫度。