【導讀】電機在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應用，而電機驅動(dòng)系統的趨勢是高效率，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(kāi)關(guān)速度上實(shí)現突破，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(shí)間的半導體器件。并且隨著(zhù)寬禁帶半導體器件成本降低，也使得電機驅動(dòng)系統逐步開(kāi)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動(dòng)系統的效率以及功率密度得到了提高，但也對驅動(dòng)系統的可靠性，尤其過(guò)流及短路保護的響應時(shí)間提出了更高的要求。
本文將詳細介紹工業(yè)電機驅動(dòng)系統中的過(guò)流現象，以及TI隔離比較器在過(guò)流保護中的應用。
電機驅動(dòng)系統中的過(guò)流類(lèi)型分析
一般工業(yè)電機驅動(dòng)器的應用環(huán)境復雜且相對惡劣，可能會(huì )出現高溫、機械過(guò)載、交流線(xiàn)路瞬變以及接線(xiàn)錯誤等突發(fā)狀況，這些可能會(huì )導致過(guò)大的電流流入電機驅動(dòng)器系統，從而導致驅動(dòng)器損壞。電機驅動(dòng)器系統中常見(jiàn)的三種過(guò)流現象如下圖所示。
圖1 橋臂直通
圖2 相對地短路
圖3 相間短路
1. 橋臂直通。電機驅動(dòng)器橋臂直通可能由兩種情況導致：
○ 不正確的開(kāi)關(guān)邏輯導致同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通，這種不正確的開(kāi)關(guān)邏輯可能是由控制器故障或者電磁干擾引起的。
○ 其中一個(gè)開(kāi)關(guān)管損壞短路，而另一個(gè)開(kāi)關(guān)管保持正常開(kāi)關(guān)。
2. 相對地短路。驅動(dòng)器系統過(guò)溫或者過(guò)壓導致電機繞組絕緣擊穿，對地短路。這種過(guò)流現象可能會(huì )損壞電機線(xiàn)纜。
3. 相間短路。驅動(dòng)器系統過(guò)溫或者過(guò)壓導致電機繞組絕緣擊穿，導致相對相短路。這種過(guò)流現象可能會(huì )損壞電機線(xiàn)纜。
相對而言，電機本體可以在較長(cháng)的時(shí)間內承受一定的過(guò)流；但開(kāi)關(guān)管作為電機驅動(dòng)系統中最重要的組成部分，對短路電流的耐受時(shí)間只有微秒級，所以有效的過(guò)流檢測和保護對電機系統的安全可靠具有重要意義。
隔離比較器在電機過(guò)流保護中的應用
目前電機驅動(dòng)器系統常采用的過(guò)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(shí)間在3～5μs之間。過(guò)去IGBT對短路耐受時(shí)間是10 μs左右，而隨著(zhù)功率器件的發(fā)展革新，短路耐受時(shí)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，可以使用系統中的5V或者和驅動(dòng)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)品數據手冊。
以AMC23C12為例，其工作模式分為L(cháng)atch和Transparent模式，可以通過(guò)芯片Latch引腳進(jìn)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
電機驅動(dòng)器過(guò)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(lái)實(shí)現。
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(jìn)行電流檢測，電路設計簡(jiǎn)單，可以實(shí)現對橋臂直通以及相間過(guò)流的保護，但是無(wú)法檢測到對地過(guò)流情況。
2. DC+ 電流檢測，在DC+使用隔離運放進(jìn)行電流檢測，可實(shí)現對橋臂直通、相間過(guò)流以及對地過(guò)流的檢測與保護，增加系統的安全可靠性。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(jìn)行監測，可以實(shí)現相間過(guò)流以及對地過(guò)流檢測，但是無(wú)法對橋臂直通進(jìn)行有效檢測與保護。
4. DESAT保護一般集成在驅動(dòng)芯片中，用于功率較大的電機驅動(dòng)器系統，實(shí)現成本較高，且無(wú)法實(shí)現對地過(guò)流保護。
以上過(guò)流檢測及保護方案可以組合使用，以實(shí)現驅動(dòng)器系統的可靠安全過(guò)流保護。
綜上，隨著(zhù)功率器件的短路耐受時(shí)間下降至1 μs的水平，在極短的時(shí)間內檢測并保護驅動(dòng)器過(guò)流和短路情況正變得越來(lái)越重要。TI隔離比較器為實(shí)現工業(yè)電機驅動(dòng)器的過(guò)流以及短路保護以及提高系統可靠性、減小系統體積提供了有效方案。
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