電機驅(qū)動系統(tǒng)中隔離比較器的過流保護應(yīng)用
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作者：Duoduo Cheng
電機在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(dǎo)體供應(yīng)商不斷在導(dǎo)通損耗和開關(guān)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(dǎo)體器件。并且隨著寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)時間提出了更高的要求。
本文將詳細(xì)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(yīng)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(yīng)用環(huán)境復(fù)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(dǎo)致過大的電流流入電機驅(qū)動器系統(tǒng)，從而導(dǎo)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。
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| 圖1 橋臂直通 | 圖2 相對地短路 | |
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| 圖3 相間短路 |
橋臂直通。電機驅(qū)動器橋臂直通可能由兩種情況導(dǎo)致：
不正確的開關(guān)邏輯導(dǎo)致同一橋臂的兩個開關(guān)管同時開通，這種不正確的開關(guān)邏輯可能是由控制器故障或者電磁干擾引起的。
其中一個開關(guān)管損壞短路，而另一個開關(guān)管保持正常開關(guān)。
相對地短路。驅(qū)動器系統(tǒng)過溫或者過壓導(dǎo)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。
相間短路。驅(qū)動器系統(tǒng)過溫或者過壓導(dǎo)致電機繞組絕緣擊穿，導(dǎo)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(cè)供電電壓范圍是2.7～5V，高邊側(cè)供電電壓范圍是3～27V，高邊側(cè)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(xì)性能信息，請參考TI官網(wǎng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。
| Part Number | AMC23C11 | AMC23C12 | AMC23C14 |
| Description | Isolated comparator with reference | Isolated window comparator with reference | Isolated dual window comparator with reference |
| # of Channels | 1 | 1 | 2 |
| Output | Open Drain | Open Drain | Open Drain |
| Latch Function | Yes | Yes | Yes |
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(shè)置。并且正負(fù)比較器的翻轉(zhuǎn)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)。
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)。
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| 圖5 DC_ 電流檢測 | 圖6 DC+ 電流檢測 |
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| 圖7 相電流檢測 | 圖8 DESAT保護 |
DC_ 電流檢測，在DC_使用隔離運放進行電流檢測，電路設(shè)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。
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(yīng)地，需要額外的高邊電源給隔離比較器供電。
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。
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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