【導讀】本文介紹傳統(tǒng)光耦合器技術(shù)標準與用于增強隔離的感性和容性技術(shù)標準之間的差異，并概述一個采用數(shù)字控制的電機驅(qū)動系統(tǒng)，其集成了電流檢測電阻以檢測繞組電流。本文還會就如何為此應用選擇最合適的電流檢測電阻提供一些建議。
簡介
在受益于新型數(shù)字隔離技術(shù)的電機控制系統(tǒng)設(shè)計中，使用電流檢測電阻已成為一個趨勢。元件級標準IEC 60747-17規(guī)定了容性和磁性耦合隔離器的性能、測試和認證要求，該標準的引入使得此類技術(shù)能夠提供更高的可靠性。數(shù)字隔離還有其他好處，例如：環(huán)路響應更快、支持集成過流保護以及死區(qū)更窄等。這使得輸出電壓更平順，進而對扭矩的控制也更得力。本文會簡要介紹傳統(tǒng)光耦合器技術(shù)標準與用于增強隔離的感性和容性技術(shù)標準之間的差異。另外也會概述一個采用數(shù)字控制的電機驅(qū)動系統(tǒng)，其集成了電流檢測電阻以檢測繞組電流。本文還會就如何為此應用選擇最合適的電流檢測電阻提供一些建議。
適用于電機驅(qū)動的隔離標準更新信息
電機驅(qū)動設(shè)計人員大都知道設(shè)計需要滿足國際隔離標準。隔離很重要，原因如下：
1、防止高功率電路地連接的電氣噪聲感應到低功率信號線路上。
2、防止危險電壓和電流傳輸?shù)轿：^低的低壓環(huán)境，保障最終用戶的安全。
IEC 61010-1第3版標準規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計人員必須知曉導體間距離、電氣間隙和爬電距離。它還規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計人員必須知道應將導線與罐裝、模塑料和薄膜絕緣層中的金屬部件分離。如果器件用在需符合IEC61010-1標準的系統(tǒng)上，設(shè)計人員應確保所選器件能保證一定的安全性。根據(jù)IEC 60747-17標準，增強隔離要利用行業(yè)公認的經(jīng)時電介質(zhì)擊穿(TDDB)分析進行測試，這樣有助于推斷器件的使用壽命和連續(xù)工作電壓(VIORM)。
IEC 60747-17 (DIN V VDE V 0884-11)明確定義了采用感性和容性技術(shù)的絕緣，而公認的IEC 60747-5-5標準則被用來定義采用光耦合器技術(shù)的絕緣。然而，IEC 60747-5-5沒有規(guī)定通過TDDB分析來確定連續(xù)工作電壓和使用壽命。它依賴局部放電電壓測試來確定工作電壓，但并未定義器件的工作壽命。因此，感性和容性技術(shù)的最低額定壽命為37.5年，而對光耦合器隔離器則未作規(guī)定。
表1總結(jié)了光耦合器和非光耦合器標準的主要差異。結(jié)論是隨著時間推移，基于非光耦合器的標準會被更廣泛地接受，因為其對設(shè)計工程師而言安全性更高，并且具有更長的工作壽命。
表1：光耦合器和非光耦合器隔離的主要區(qū)別
圖1：采用數(shù)字隔離和檢測電阻的三相電機驅(qū)動功能框圖
采用檢測電阻的典型增強隔離系統(tǒng)
圖1所示為一個典型三相永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)，其利用檢測電阻測量繞組電流，并通過ADI公司的AD7403隔離式Σ-Δ調(diào)制器和sinc3濾波器提供反饋。AD7403使用單個二階調(diào)制器數(shù)字化電路來將檢測電阻的模擬信號轉(zhuǎn)換為隔離的一位數(shù)字脈沖流，其大小取決于滿量程輸入電壓范圍。然后，sinc3濾波器提取電流平均值，同時消除逆變器開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。其存儲器可以存儲一個代表電流的16位整數(shù)，與此同時，它可以將該數(shù)值與一個代表電流限值的基準值相比較，如果發(fā)生過載，它就會通過單獨的引腳發(fā)送警報。利用更短的濾波器監(jiān)控過載，并將其與測量濾波器并聯(lián)，可以縮短警報延遲時間。
AD7403具有增強隔離特性，調(diào)制器可以直接測量電流檢測電阻的電壓，除了一個由電阻和電容構(gòu)成的簡單分立低通濾波器以外，不需要其他額外元件。調(diào)制器的額定最大工作電壓為±250 mV，因而電流檢測電阻的阻值需小于250 mV/IMAX。
選擇合適檢測電阻的考慮因素
電阻溫漂
AD7403的輸出為16位數(shù)值，因此限制電流測量潛在精度不是受限于ADC轉(zhuǎn)換，而是受限于電壓讀數(shù)本身。電阻隨溫度的漂移取決于電阻元件使用的材質(zhì)、功率額定值和元件的實際尺寸。
由鎳、銅、錳特殊合金制成的阻性元件的電阻溫漂曲線呈拋物線形狀，如圖2所示。對于電流檢測應用，這些合金是精度最高的材料。圖2還顯示了Bourns CSS4J-4026R型電阻溫漂的上限和下限，對應于50 ppm/°C的溫度系數(shù)。此差距是由電阻的銅引腳引起的，銅具有很高的TCR (4000 ppm/°C)，導致溫漂增加。
Bourns CST0612系列是由特殊合金制成的1 W、4引腳電阻。其尺寸為3.2 mm × 1.65 mm，TCR為±100 ppm/°C，Bourns CST0612型和CSS4J-4026R型的TCR差異可以用銅含量相對于阻性元件的比例來解釋。增加低熱阻的銅有助于元件吸收高功率而不會過熱。本例展示了元件尺寸、功率額定值和阻值溫漂的取舍關(guān)系。
圖2. Bourns CSS4J-4026R型電流檢測電阻的拋物線形TCR曲線
電阻溫漂計算
讓我們以Bourns產(chǎn)品型號CSS4J-4026R-L500F為例，計算其在全功率和70°C環(huán)境溫度下的電阻溫漂。CSS4J-4026R-L500F是一款0.5mΩ (±1%)檢測電阻，額定功率為5 W，最高環(huán)境溫度為130°C。在170°C時，其額定功率從100%減額至0 W。因此，該元件的熱阻為8°C/W。在全功率和70°C環(huán)境溫度下，預期元件的表面溫度會達到110°C (70°C + 8×5°C)。110°C時的阻值溫漂可以從圖3得知，25°C時的標稱值為+0.45%。絕對容差為±1%，因此電流測量精度最大值為+1.45%。
過載
電機驅(qū)動偶爾會發(fā)生短路，電流檢測電阻必須能夠承受短時過載而不受損。以Bourns CST0612型電流檢測電阻為例，根據(jù)Bourns網(wǎng)站上的材料數(shù)據(jù)表，可以算出此元件的質(zhì)量為0.0132 g。另外，也可以根據(jù)尺寸及銅合金的密度(8.4 g/cm3)來計算。溫升速率可計算如下：
其中，P為功率(W)，m為元件質(zhì)量(g)，C為合金的比熱容量。1 mΩ的電阻過載50 A時，會產(chǎn)生每秒462°C的溫度壓擺率。假設(shè)穩(wěn)態(tài)溫度為50°C，則短路周期的寬度不能超過0.22秒。通過在電路板上鍍銅以增加整體質(zhì)量，可以延長此寬度。
在相同過載下，使用較厚、較大的元件時，例如質(zhì)量為0.371 g的CSS4J-4026型電阻，溫度壓擺率將是每秒16.5°C。假設(shè)元件表面溫度為100°C，則它承受該能量的最長時間將是4秒，然后表面溫度才會達到最大允許值170°C。
合適的阻值
電阻提供的AD7403滿量程輸入為±250 mV。表2中的矩陣列出了最大電流時Bourns高功率電流檢測電阻上的壓降。對于較低電壓，設(shè)計人員可通過調(diào)整比例因子來補償。
表2：最大電流和Bourns電流檢測電阻上的壓降
結(jié)語
根據(jù)IEC60747-17，具有增強隔離性能的數(shù)字隔離器的最低壽命應為37.5年。雖然更傳統(tǒng)的光耦合器技術(shù)沒有此類指標，但未來數(shù)字隔離系統(tǒng)會對設(shè)計人員提供更多保障。利用特殊合金制成的電流檢測電阻具有很低的電阻溫漂，其產(chǎn)生的輸出電壓可以由隔離式Σ-Δ調(diào)制器(例如采用ADI iCoupler®技術(shù)的器件)用一個可調(diào)整比例因子來讀取。電流測量的精度取決于電阻溫度，后者又取決于功率相對于額定功率的比例以及環(huán)境溫度。
參考文獻
O ’ Byrne，Nicola。“Σ- Δ調(diào)制器提高運動控制效率”。ADI公司，2015。
O’Sullivan，Dara，Jens Sorensen，Aengus Murray。應用筆記AN1265，使用ADSP-SM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSPCM408F Sinc濾波器和 AD7403實現(xiàn)隔離式電機控制反饋。ADI公司，2015。
作者簡介
Nicola O’Byrne是ADI公司工業(yè)自動化業(yè)務部電機與功率控制(MPC)團隊的高級系統(tǒng)應用工程師，為電機控制和其他精密工業(yè)應用提供支持。Nicola在ADI工作了20年，擔任現(xiàn)有職務前曾管理精密ADC應用團隊。Nicola于1996年在科克大學獲得工程學士學位，之后加入ADI。Nicola持有多項專利，在ADI會議和行業(yè)論壇上均發(fā)表過演進。
Cathal Sheehan是Bourns消費電子部門技術(shù)市場經(jīng)理，工作地點在愛爾蘭科克市。聯(lián)系方式： Cathal.sheehan@bourns.com
文章來源：電機控制設(shè)計加油站
作者：Cathal Sheehan Bourns® Electronics Nicola O’Byrne ADI公司
