满足大功率系统不断增长的故障检测需求

满足大功率系统不断增长的故障检测需求

（2024年11月22日更新）

大功率工业系统(如电机驱动器和光伏逆变器)和汽车系统(包括电动汽车) (EV) 充电器、牵引逆变器、车载充电器和DC/DC故障检测机制对转换器至关重要。

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故障检测通过电流、电压和温度测量来诊断系统中任何交流电源线的波动、机械或电气过载。主机微控制器检测到故障后 (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，降低系统尺寸，设计人员正从绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 改用宽带间隙碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关晶体管，实现更快的开关速度 (>100kHz) 耐受时间短 (<5μs)。

为了保护功率开关晶体管免受故障条件的影响，首先使用基于分流器或霍尔效应的解决方案来检测过流。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。在选择基于分流器或霍尔效应的解决方案时，应考虑隔离规格、主导导体电阻等因素。虽然两种解决方案中的初级导体电阻可能产生相同的散热量，但随着分流器技术的改进，分流器的电阻要小得多，可以降低散热，并在整个温度和寿命范围内提供非常高的精度。

基于分流器的几种故障检测方法：

使用隔离放大器

图1显示了基于分流器的过流检测解决方案，包括隔离放大器和非隔离比较器。如有必要，可使用相同的隔离放大器进行反馈控制。MCU接收比较器的输出并发送信号，以控制格栅极驱动器的引脚或改变格栅极驱动器输入的脉宽调制周期。

图1 使用隔离放大器和非隔离比较器进行故障检测

基于分流器的隔离放大器为故障检测和反馈控制提供了较高的测量精度，其中隔离放大器可以提供基本隔离或增强隔离。

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

使用隔离调制器

，隔离调制器可同时用于过流检测和反馈控制。隔离调制器的隔离数据输出 (DOUT) 以更高的频率提供由1和0组成的数字比特流。比特流输出的模拟输入电压成正比，MCU重建内部数字滤波器的测量信号。MCU多个数字滤波器可以与相同的比特流输出并行运行，其中一个用于高精度反馈控制，另一个用于低延迟过流检测。

图2 使用隔离调制器进行故障检测

与隔离放大器相比，基于分流器的隔离调节器为故障检测和反馈控制提供了更高的测量精度。在最坏情况下，过流检测的传输延迟可以低至1μs。

使用标准比较器和数字隔离器

图3显示了一个标准的非隔离比较器，后跟数字隔离器用于过流检测，器，以及用于反馈控制的隔离放大器或调节器。在最坏情况下，过流检测的传输延迟可小于1μs，这取决于所选的比较器和数字隔离器。然而，分立实施将占用更多的印刷电路板 (PCB) 对于需要更高精度的设计，空间可能会变得昂贵。

图3 使用标准比较器和数字隔离器进行故障检测

使用隔离比较器

图4所示的隔离比较器提供了一种小而超快的过流检测方法，通过集成标准比较器和数字隔离器的功能。您可以使用隔离放大器或隔离调节器进行反馈控制。

图4TI一级代理使用隔离比较器进行故障检测

AMC23C12等隔离比较器为故障检测提供了经济高效的小尺寸解决方案。这些设备的延迟极低 (<400ns)，可实现更快的过流检测。AMC23C12集成了高端供电的宽输入范围(3)V - 27V）与分立式实施相比，低压降压器、单窗比较器和电隔离层，PCB面积减少50%，材料清单数量减少。AMC23C12系列具有可调跳变阈值和低于3%的精度（在最坏情况下），可满足过流、过压、过热、欠压和欠流检测日益增长的需要。

表1 比较了基于分流器的各种故障检测方法

参数

隔离放大器

隔离调制器

分立式实施

隔离比较器

延迟

差

合格

非常好

精度

非常好