滿足大功率系統中日益增加的故障偵測需求

作者:德州儀器 Krunal Maniar

馬達驅動器和太陽能逆變器等大功率工業系統以及電動車 (EV) 充電器、牽引逆變器、車載充電器和 DC/DC 轉換器等汽車系統需要故障偵測機制。

故障偵測運用電流、電壓和溫度測量，來診斷系統內的任何交流電源線波動、機械或電氣過載。在偵測到故障事件後，主機微控制器 (MCU) 會執行防護動作，例如關閉或修改功率電晶體的開關特性或設定斷路器跳閘。

為了提高效率並減小系統尺寸，設計人員正在從絕緣柵雙極電晶體 (IGBTs) 轉向寬頻隙碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關電晶體，藉以加快開關速度 (>100 kHz ) 並縮短耐受時間 (<5 µs)。

防護功率開關電晶體免於遭受故障條件的影響需要先使用分流型或霍爾型解決方案偵測過電流條件。雖然霍爾型解決方案支援單模組方法，不過這些解決方案的測量準確度較差，尤其是在溫度方面。在分流型或霍爾型解決方案之間進行選擇的其他考量因素包括絕緣規範和一次導線電阻。霍爾型解決方案中的一次導線電阻可能導致與分流型解決方案中相同的熱散逸量，不過，隨著分流技術持續改進，分流現在達到更小的電阻而能夠盡可能減少熱散逸，而且在溫度和使用壽命方面達到高準確度。

讓我們瞭解一些分流型故障偵測方法。

業界最小的絕緣式比較器

AMC23C12 系列提供準確的絕緣式過電流、過電壓和過熱偵測。

使用絕緣式放大器

圖 1 顯示具有絕緣式放大器和非絕緣式比較器的分流型過電流偵測解決方案。如有必要，您可以使用相同的絕緣式放大器進行回饋控制。MCU 會接收比較器的輸出，並傳送訊號以控制閘極驅動器的觸發針腳或改變進入閘極驅動器輸入的脈衝寬度調變週期。

圖 1：使用絕緣式放大器和非絕緣式比較器進行故障偵測 

採用絕緣式放大器的分流型方法為故障偵測和回饋控制提供高測量準確度。絕緣式放大器提供基本型絕緣或強化型絕緣。

不過，絕緣式放大器的傳播延遲為 2 至 3 µs。根據過電流偵測的延遲要求，採用絕緣式放大器的方法可能不夠快。

使用絕緣式調變器

如圖 2 所示，可以使用絕緣式調變器同時進行過電流偵測和回饋控制。絕緣式調變器的絕緣資料輸出 (DOUT) 以較高的頻率提供一和零的數位位元串流。這個位元串流輸出的時間平均值與類比輸入電壓成正比，MCU 內的數位濾波器會重建測量的訊號。MCU 可以使用相同的位元串流輸出並行運作多個數位濾波器，其中一個數位濾波器配置用於高準確度回饋控制，另一個數位濾波器配置用於低延遲過電流偵測。

圖 2：使用絕緣式調變器進行故障偵測

相較於絕緣式放大器，採用絕緣式調變器的分流型方法為故障偵測和回饋控制提供更好的測量準確度。過電流偵測的最不理想傳播延遲最低為 1 µs。

使用標準比較器和數位隔離器

圖 3 顯示標準非絕緣式比較器，後面是用於過電流偵測的數位隔離器，以及用於回饋控制的絕緣式放大器或調變器。過電流偵測的最不理想傳播延遲可能小於 1 µs，具體取決於選擇的比較器和數位隔離器。不過，離散實作會佔用較多的印刷電路板 (PCB) 空間，而且對於需要較高準確度的設計來說可能會變得所費不貲。

圖 3：使用標準比較器和數位隔離器進行故障偵測

使用絕緣式比較器

圖 4 所示的絕緣式比較器透過整合標準比較器和數位隔離器的功能，提供小型、超快速的過電流偵測方法。您可以使用絕緣式放大器或絕緣式調變器進行回饋控制。

圖 4：使用絕緣式比較器進行故障偵測

AMC23C12 之類的絕緣式比較器為故障偵測提供符合成本效益的小尺寸解決方案。這些裝置可達到極低的延遲 (<400 ns)，因而實現超快速過電流偵測。AMC23C12 整合用於為高壓側供電的寬輸入範圍 (3 V 至 27 V) 低壓差穩壓器、單窗口比較器和絕緣式電流絕緣層，相較於離散實作，能夠將 PCB 面積減少高達 50%，並縮減物料清單。AMC23C12 系列具有可調節的跳閘閾值和 <3% 的最劣情況準確度，可滿足日益增加的過電流、過電壓、過熱、欠壓和欠流偵測需求。

表 1 比較各種分流型故障偵測方法。

表 1：比較分流型過電流偵測方法

隨著改善系統彈性的需求和採用較快速開關電晶體 (例如 SiC 和 GaN) 的需求激增，對於準確和快速偵測故障的需求變得更重要。AMC23C12 系列絕緣式比較器可快速偵測各種故障事件，有助於設計人員開發更有容錯能力的高壓系統。

其他資源

• 參閱 TI 的絕緣式放大器和調變器。
• 參閱「類比設計期刊」文章「使用絕緣式比較器在電動馬達驅動器中進行過電流和過電壓故障偵測」。