满足大功率系统不断增长的故障检测需求.docx
满足大功率系统不断增长的故障检测需求工业系统(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(TGBT)改用宽带隙碳化硅(SiC)和氮化线(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(<5s) o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teotetcnBarrier5 ted Arr f e*Comc33trOption siGate 2rr*fs,*at te-½xiT7÷zP. IJ OCrtro cflGT5GatlSCOptionalMcxt*cilcf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2s - 3so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。IsolationBarrierShunt Isolated Modulatorltl doutFault Detection &Fee北ack ControlGate D riversE nable/ APWM control ofIGB*,GaNSC“ icro-cotroller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iso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ls,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。ShuntOptialIsolated AmplifierReferenceIsolationBarrierFeedbackControlFaultDetectionIsolationBarrierComparator Digital Isolator/ /OptionalFv1io-trollerPWFvl control ofIGBTs/GaN/SiCGate DriversEnable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。Optionaltsolatec AmWeIsolation±qouUJjrt lso9tc Ccmor3tcrMp>ctFIm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。参数附离式放大器儡离式调制瑞分汇式实施隔离式比较器延迟差合格合格平常好精度非常好非常好合格非常好尺寸差合格差非常好成本差差差作常好隔岗非常好非常好非常好非常好表1：比较基于分流器的过流检测方法随着提高系统弹性和采用更快的开关晶体管（如SiC和GaN）的需求激增，对准确和快速故障检测的需求变得更加重要。AMC23C12系列隔离式比较器可快速检测各种故障事件，帮助设计人员开发具有更高容错能力的高压系统。
