满足大功率系统不断增长的故障检测需求

2022年04月14日

　　对于大功率工业系统(如电机驱动器和光伏逆变器)以及汽车系统(包括电动汽车 (EV) 充电器、牵引逆变器、车载充电器和DC/DC转换器)而言，故障检测机制必不可少。

　　故障检测通过电流、电压和温度测量来诊断系统内的任何交流电源线波动、机械或电气过载。在检测到故障事件后，主机微控制器 (MCU) 会执行保护动作，例如关闭或修改功率晶体管的开关特性或使断路器跳闸。

　　为了提高效率并减小系统尺寸，设计人员正从绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 改用宽带隙碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关晶体管，从而实现更快的开关速度 (>100kHz) 和更短的耐受时间 (<5µs)。

　　要保护功率开关晶体管免受故障条件的影响，首先要使用基于分流器或基于霍尔效应的解决方案来检测过流情况。虽然基于霍尔效应的解决方案支持单模块方法，但它们的测量精度很低，尤其在温度升高的情况下。在基于分流器或基于霍尔效应的解决方案之间进行选择时，要考虑隔离规格和初级导体电阻等其他因素。虽然两种解决方案中的初级导体电阻可能会产生相同的散热量，但是，随着分流器技术的改进，分流器现在的电阻要小得多，从而能够更大限度地减少散热，并在整个温度和寿命范围内提供非常高的精度。

　　我们来看看几种基于分流器的故障检测方法：

使用隔离式放大器

　　图1显示了基于分流器的过流检测解决方案，它有一个隔离式放大器和一个非隔离式比较器。如有必要，您可以使用同样的隔离式放大器进行反馈控制。MCU接收比较器的输出并发送信号，从而控制栅极驱动器的使能引脚或改变进入栅极驱动器输入的脉宽调制周期。

图 1：使用隔离式放大器和非隔离式比较器进行故障检测

　　使用隔离式放大器、基于分流器的方法为故障检测和反馈控制提供了高测量精度，其中的隔离式放大器可提供基本隔离或增强隔离。

　　然而，隔离式放大器的传播延迟为 2µs - 3µs。根据过流检测的延迟要求，基于隔离式放大器的方法可能不够快。

使用隔离式调制器

　　如图2所示，可以使用隔离式调制器同时进行过流检测和反馈控制。隔离式调制器的隔离式数据输出 (DOUT) 以显著更高的频率提供由1和0组成的数字比特流。该比特流输出的时间平均值与模拟输入电压成正比，MCU内的数字滤波器重建测量信号。MCU可以使用相同的比特流输出并行运行多个数字滤波器，其中一个数字滤波器配置用于高精度反馈控制，另一个数字滤波器配置用于低延迟过流检测。

图 2：使用隔离式调制器进行故障检测

　　与隔离式放大器相比，采用隔离式调制器的基于分流器的方法为故障检测和反馈控制提供了更高测量精度。在最坏情况下，过流检测的传播延迟可低至1µs。

　　使用标准比较器和数字隔离器

　　图3显示了一个标准非隔离式比较器，后跟用于过流检测的数字隔离器，以及用于反馈控制的隔离式放大器或调制器。在最坏情况下，过流检测的传播延迟可低于1µs，具体取决于所选的比较器和数字隔离器。但是，分立式实施会占用更多印刷电路板 (PCB) 空间，并且对于需要更高精度的设计来说可能会变得昂贵。

图3：使用标准比较器和数字隔离器进行故障检测

　　使用隔离式比较器

　　图4所示的隔离式比较器通过集成标准比较器和数字隔离器的功能，提供了一种小巧且超快的过流检测方法。您可以使用隔离式放大器或隔离式调制器进行反馈控制。

图 4：使用隔离式比较器进行故障检测

　　AMC23C12等隔离式比较器为故障检测提供了一种经济高效的小尺寸解决方案。这些器件具有极低的延迟 (<400ns)，可实现更快的过流检测。AMC23C12集成了一个用于为高端供电的宽输入范围(3V - 27V)低压降稳压器、一个单窗口比较器和一个电隔离层，与分立式实施相比，PCB面积减少高达50%，物料清单数量也更少。AMC23C12系列具有可调跳变阈值和低于3%的精度(在最坏情况下)，可满足日益增长的过流、过压、过热、欠压和欠流检测需求。

表 1 比较了各种基于分流器的故障检测方法。