在上期中，我們探討了如何在 PFC 電路中使用小型升壓轉(zhuǎn)換器提高功率密度。

本期，為大家?guī)?lái)的是《交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的隔離式電壓檢測(cè)》，將介紹交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器終端設(shè)備中三種常見(jiàn)的電壓測(cè)量過(guò)程的概念和工作原理，從而為選擇適當(dāng)?shù)母綦x式放大器提供指導(dǎo)。

引言

汽車(chē)和工業(yè)終端設(shè)備（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、串式逆變器和車(chē)載充電器）在高電壓下運(yùn)行，而人直接碰觸到高電壓時(shí)會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。隔離式電壓測(cè)量可幫助優(yōu)化運(yùn)行，并保護(hù)人員安全，避免他們碰到執(zhí)行某種功能的高壓電路。

隔離式放大器專(zhuān)為高性能而設(shè)計(jì)，用于跨隔離柵傳輸電壓測(cè)量數(shù)據(jù)。隔離式放大器的選型標(biāo)準(zhǔn)包括隔離規(guī)格、輸入電壓范圍、精度要求以及高壓側(cè)供電方式（通常受應(yīng)用的測(cè)量位置影響）。

本文通過(guò)說(shuō)明如何評(píng)估交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器終端設(shè)備中三種常見(jiàn)的電壓測(cè)量過(guò)程，為選擇適當(dāng)?shù)母綦x式放大器提供指導(dǎo)。

第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是要求的隔離規(guī)格。德州儀器 (TI) 的隔離式放大器和調(diào)制器通常根據(jù)器件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì) (DIN)、德國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì) (VDE) 0884-17、DIN 歐洲標(biāo)準(zhǔn) (EN) 國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60747-17 和美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 (UL) 1577，經(jīng)認(rèn)證列于基礎(chǔ)型或增強(qiáng)型隔離等級(jí)。

輸入電壓范圍、精度要求和高壓側(cè)供電方式的選擇取決于應(yīng)用中電壓節(jié)點(diǎn)的測(cè)量位置。圖 1是交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化方框圖，其中包括用于電壓測(cè)量的三個(gè)常用位置：左邊是交流電源，中間是直流鏈路，右邊是電機(jī)相位。隔離式放大器精度高且易于使用，很適合用于這類(lèi)測(cè)量。

圖 1：交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

如圖 1左側(cè)所示，交流電源輸入通常作為三相中心接地電源系統(tǒng)，具有 120VRMS/208VRMS（美國(guó)）和 230VRMS/400VRMS（歐洲）電壓。此電壓測(cè)量所需的精度通常不高，而且并不是必需的。如果您要測(cè)量交流電源，請(qǐng)考慮具有雙極高阻抗輸入的器件，如 TI 的AMC1350或AMC3330。在相對(duì)于中性點(diǎn)電壓測(cè)量三相交流電壓時(shí)，可以將單個(gè)隔離式電源用于執(zhí)行測(cè)量的所有三個(gè)隔離式放大器。在相間測(cè)量三相交流電壓時(shí)，請(qǐng)考慮使用帶有集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的器件，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。圖 2顯示了相應(yīng)的AMC3330 電路圖。

圖 2：具有內(nèi)部直流/直流轉(zhuǎn)換器的 AMC3330 隔離式放大器

要計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的脈寬調(diào)制 (PWM) 占空比，通常需要測(cè)量圖 1 中間顯示的直流鏈路電壓，且精度為 1% 或以上。

在制動(dòng)操作期間，直流鏈路電壓增加，需要主動(dòng)限制此電壓，以保護(hù)功率級(jí)，例如通過(guò)啟用再生制動(dòng)提供保護(hù)。低延遲測(cè)量能夠?qū)^(guò)壓事件更快做出響應(yīng)，并使系統(tǒng)在更接近其硬件極限的情況下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)裕量和更低的系統(tǒng)成本。直流鏈路電容通常為幾百 μF，要在維修設(shè)備前確定直流鏈路電容是否已適當(dāng)放電至安全水平，需要在低電壓 (<100V) 下進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。此外，高分辨率交流紋波測(cè)量可以測(cè)量連接的交流電源中的相位檢測(cè)損耗，可能無(wú)需進(jìn)行單獨(dú)的電網(wǎng)側(cè)相位測(cè)量。紋波電壓的頻率是：在 60Hz 三相電源電壓下為 360Hz，或在 50Hz 三相電源電壓下為 300Hz，因?yàn)橛辛鶄€(gè)半波進(jìn)行整流。在低負(fù)載下（當(dāng)電機(jī)未在旋轉(zhuǎn)時(shí)），紋波電壓幅度會(huì)很低；因此，您可能需使用調(diào)制器來(lái)進(jìn)行超高分辨率測(cè)量。具有單極輸入范圍的隔離式放大器（如 TI 的?AMC1351（0 到 5V 輸入范圍）或AMC1311（0 到 2V 輸入范圍））專(zhuān)為直流鏈路電壓測(cè)量設(shè)計(jì)。它們需要以 DC– 為基準(zhǔn)的本地電源為高壓側(cè)供電，例如圖 3顯示的隔離式變壓器電路。替代方法是使用帶有集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的器件，如AMC3330。

圖 3：AMC1311 隔離式放大器與分立式隔離變壓器電路

基于直流鏈路測(cè)量和 PWM 占空比來(lái)測(cè)量實(shí)際相電壓而不是估計(jì)相電壓，能夠進(jìn)一步改進(jìn)無(wú)傳感器交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的性能。直接測(cè)量相電壓可提供更加精確的結(jié)果，因?yàn)檫@包括系統(tǒng)中的所有損耗以及 PWM 死區(qū)時(shí)間失真的影響。一種方法是測(cè)量相對(duì)于 DC- 軌的所有三個(gè)相位，使用三個(gè)單極輸入隔離式放大器和單個(gè)隔離式電源（如圖3所示）為所有三個(gè)隔離式放大器的高側(cè)供電。

節(jié)省硬件成本的替代方法是僅測(cè)量?jī)蓚€(gè)相間電壓并計(jì)算第三個(gè)電壓。此方法僅需要兩個(gè)具有雙極輸入范圍的隔離式放大器，并盡可能減少了固件側(cè)的額外工作。兩次測(cè)量相對(duì)于其中一個(gè)相電壓進(jìn)行，這需要通過(guò)頂部絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器浮動(dòng)電源為隔離式放大器供電，如圖 4所示。帶有內(nèi)部直流/直流轉(zhuǎn)換器的器件（如 AMC3330）大大簡(jiǎn)化了電路，可節(jié)省更多空間并提高系統(tǒng)效率。

圖 4：帶有浮動(dòng)電源的 AMC1350 隔離式放大器

對(duì)于每種電壓測(cè)量，電阻分壓器必須降低高壓節(jié)點(diǎn)的電壓，以匹配隔離式放大器的輸入范圍。在設(shè)計(jì)電阻分壓器電路時(shí)，存在三種常見(jiàn)挑戰(zhàn)：

從隔離式放大器流動(dòng)到檢測(cè)電阻的輸入偏置電流會(huì)產(chǎn)生失調(diào)電壓誤差。

檢測(cè)電阻與隔離式放大器的輸入阻抗并聯(lián)，降低有效檢測(cè)電阻并產(chǎn)生增益誤差。此外，隔離式放大器的輸入阻抗由于工藝變化，在器件之間會(huì)有 ±20% 的偏差，如果未予說(shuō)明，會(huì)顯示為增益誤差。

電阻分壓器和隔離式放大器的輸入阻抗都存在溫漂。

從 TI 的隔離式電壓檢測(cè)放大器系列中選擇具有高輸入阻抗且輸入偏置電流可忽略不計(jì)的器件，可以顯著減少攻克上述挑戰(zhàn)所需的工作量；不過(guò)，可以使用具有輸入偏置電流的低輸入阻抗隔離式放大器來(lái)設(shè)計(jì)高精度電壓測(cè)量電路。

具有較寬輸入范圍的隔離式放大器對(duì)于輸入噪聲的敏感度較低，在低輸入電平下可提供較高精度。不過(guò)，輸入電壓較高的器件通常具有較低的輸入阻抗（如表 1所示），并且需要增益校準(zhǔn)才能達(dá)到較高的精度水平。高阻抗輸入器件提供較高的未校準(zhǔn)精度，并可減少設(shè)計(jì)工作量。

表 1：德州儀器 (TI) 的電壓檢測(cè)隔離式放大器

結(jié)論

德州儀器 (TI) 提供適用于高阻抗電壓測(cè)量的各種隔離式放大器，能夠讓您在成本、性能、易實(shí)現(xiàn)性和布板空間之間做出適當(dāng)權(quán)衡，從而根據(jù)您的要求優(yōu)化設(shè)計(jì)并滿(mǎn)足行業(yè)隔離性能標(biāo)準(zhǔn)。