電機驅動系統中隔離比較器的過流保護應用
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作者：Duoduo Cheng
電機在工業領域具有廣泛的應用，而電機驅動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關速度上實現突破，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間的半導體器件。并且隨著寬禁帶半導體器件成本降低，也使得電機驅動系統逐步開始使用SiC,GaN器件。這些功率器件的發展及應用使得電機驅動系統的效率以及功率密度得到了提高，但也對驅動系統的可靠性，尤其過流及短路保護的響應時間提出了更高的要求。
本文將詳細介紹工業電機驅動系統中的過流現象，以及TI隔離比較器在過流保護中的應用。
電機驅動系統中的過流類型分析
一般工業電機驅動器的應用環境復雜且相對惡劣，可能會出現高溫、機械過載、交流線路瞬變以及接線錯誤等突發狀況，這些可能會導致過大的電流流入電機驅動器系統，從而導致驅動器損壞。電機驅動器系統中常見的三種過流現象如下圖所示。
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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。電機驅動器橋臂直通可能由兩種情況導致：
不正確的開關邏輯導致同一橋臂的兩個開關管同時開通，這種不正確的開關邏輯可能是由控制器故障或者電磁干擾引起的。
其中一個開關管損壞短路，而另一個開關管保持正常開關。
相對地短路。驅動器系統過溫或者過壓導致電機繞組絕緣擊穿，對地短路。這種過流現象可能會損壞電機線纜。
相間短路。驅動器系統過溫或者過壓導致電機繞組絕緣擊穿，導致相對相短路。這種過流現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承受一定的過流；但開關管作為電機驅動系統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用
目前電機驅動器系統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或者和驅動芯片共用電源。
TI隔離比較器產品集如下表，詳細性能信息，請參考TI官網的產品數據手冊。
| 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，以提高抗干擾能力，避免誤觸發。
電機驅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。
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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，電路設計簡單，可以實現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。
相電流檢測，隔離比較器與隔離運放搭配使用，對相電流進行監測，可以實現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保護一般集成在驅動芯片中，用于功率較大的電機驅動器系統，實現成本較高，且無法實現對地過流保護。
以上過流檢測及保護方案可以組合使用，以實現驅動器系統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，在極短的時間內檢測并保護驅動器過流和短路情況正變得越來越重要。TI隔離比較器為實現工業電機驅動器的過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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