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具增强隔离效能之马达控制感测电阻选择
[作者 Cathal Sheehan等]   2017年06月30日 星期五 浏览人次: [13397]


采用电流检测电阻,除了是目前马达控制系统设计的趋势之一,还能受益於新型的数位隔离技术。这类技术基於元件级标准IEC 60747-17(其中规定了电容和磁耦合隔离器的性能、测试、和认证要求),为设计人员提供了较高的可靠性。数位隔离还能提供其他的优点,例如较快的回路响应、允许整合的过电流保护,以及较短的死区时间(dead times)。藉此可实现较平滑的输出电压,从而提供更好的扭矩控制。


适用於马达驱动的各种隔离标准

马达驱动器的设计者,通常都了解遵守国际隔离标准的必要性。隔离之所以必要的原因如下:


? 能防止来自高功率电路上接地连接的电气杂讯,被感应到低功率讯号线上。


? 能防止具危险性的电压和电流被传导到良性的低电压环境,以便为终端使用者提供电气安全。


依IEC 61010-1第3版标准的规定,系统层级设计人员必须知道导体之间的距离,包括通过空气(间隙)和表面(爬电)。该标准也规定他们必须了解灌封(potting)中,导体和金属元件之间的分离状态,模塑料、以及绝缘薄膜。


在设计符合IEC 61010-1的系统时,设计人员应确认所选择的元件能保证一定程度的安全性。根据IEC 60747-17标准,加强隔离测试必须采用业界所接受的「时间依存电介质击穿(time dependent dielectric breakdown, TDDB)分析」手法,以利推断设备的使用寿命和持续工作电压(VIORM)。


IEC 60747-17(DIN V VDE V 0884-11)具体定义了采用电感和电容技术所实现的绝缘,而IEC 60747-5-5标准则是定义采用光耦技术的绝缘。然而,IEC 60747-5-5中,并没有规定要使用TDDB分析来确定连续工作电压或寿命。该标准是依靠部分放电电压测试来建立工作电压,但并未定义元件的工作寿命。因此,电感和电容技术所定义的最小额定寿命为37.5年,而基於光耦合器的隔离器则没有相关的定义。


表1整理了基於光耦合器标准与非基於光耦合器标准之间的主要差异。其结论是,非基於光耦合器的标准会随着时间的推移,市场接受度逐渐提高,因为它能为设计人员提供较高的安全性与较长的工作寿命。


基於光耦合器和非基於光耦合器的两种隔离标准之间的差异

规格

IEC 60747-17

IEC 60747-5-5

 

基本型隔离

增强型隔离

只有增强型的隔离

部分放电测试

1.5 × VIORM

1.875 × VIORM

1.875 × VIORM

工作电压
(VIORM)

基於
TDDB* 分析

基於
TDDB* 分析

基於
PD** 测试

最短额定生命周期

26年

37.5年

未定义

生命周期中的故障率

1000 ppm

1 ppm

未定义

* 时间依存的介电崩溃(Time dependent dielectric breakdown) ** 部分放电(Partial discharge)


图1 : 具有数位隔离和感测电阻的三相马达驱动器的方块图
图1 : 具有数位隔离和感测电阻的三相马达驱动器的方块图

使用感测电阻的增强型隔离所构成的典型系统

图1所示,为一典型的三相永磁马达驱动器,它使用感测电阻来测量绕组(winding)电流,并透过ADI的隔离式Σ-Δ调变器AD7403及sinc3滤波器来取得回授。AD7403使用了一个单二阶(single second order)调变器数位化电路,将来自感测电阻的类比讯号,转换为隔离的单一位元脉冲流(single bit pulse stream),并根据满幅输入电压范围进行缩放。sinc3滤波器接着提取出电流的平均值,同时消除由反向器(inverter)的开关动作所产生的杂讯。


AD7403可以存入一代表记忆体中电流的16位元整数,并将该数字与一代表电流限制的叁考值进行比较,并在过载状态时,透过一单独的接脚发送出警报。由於使用了较短的滤波器(来进行过载监测)以及测量滤波器,让警报延迟时间(alert latencies)得以缩短。


AD7403具有增强的隔离能力,可以透过调变器直接测量到电流感测电阻的电压,除了由一电阻和一电容所组成的简单分立式低通滤波器,无需其他额外的元件。调变器的规定最高工作电压为±250 mV,因此其要求的电流感测电阻的阻值需小於250 mV / IMAX。


选择适当感测电阻时的考量

电阻值的温度漂移

由於AD7403的输出是一个16位元数字,因此电流测量的潜在准确度,并非受到ADC转换的限制,而是受电压读值本身所限制。电阻值的温度漂移,会随着电阻元素中所使用的材料、电阻的额定功率,和元件的实际大小尺寸而变化。


由镍铜锰特殊合金所构成的电阻性元素,具有抛物线型的电阻漂移曲线,如图2所示。这类合金是用於电流感测应用中,准确性最隹的材料。图2显示了一Bourns型号CSS4J-4026R电阻,对应於50ppm /℃的温度系数,其电阻漂移的上下限。此差距是由电阻的铜端子所造成,也就是由於铜的高TCR所导致的漂移(4000ppm /℃)。Bourns型号CST0612系列是由特殊合金所制成的1 W、4端子电阻。它的尺寸为3.2 mm×1.65 mm,TCR为±100ppm /℃。


至於Bourns的CST0612型号与CSS4J-4026R型号之间的TCR差异,可以透过其所含铜相对於电阻性元素的比例来得到解释。藉由具有较高成分比例的低热阻铜,有助於元件吸收高功率而不会过热。在此例中,说明了元件尺寸、额定功率、和电阻温度漂移之间的权衡取舍关系。



图2 : CSS4J-4026R电流感测电阻的抛物线型TCR曲线
图2 : CSS4J-4026R电流感测电阻的抛物线型TCR曲线

电阻值漂移计算

让我们使用Bourns的CSS4J-4026R-L500F,来计算该元件在满功率且70。C环境温度条件下的电阻漂移量。CSS4J-4026R-L500F是一具有130。C的最大工作环境温度,且额定功率为5瓦的0.5mΩ(±1%)感测电阻。当温度达到170。C时,它便会从100%功率降至0 W。因此,此元件的热阻值为8。C / W。在满功率和70。C环境温度的条件下,元件的表面温度预期将会达到110。C(70。C + 8×5。C)。在110℃下的电阻值漂移可从图3中得到,相当於是在25℃下标称值的+ 0.45%。绝对公差为±1%,因此,电流测量的准确度最大为+ 1.45%。


过载

马达驱动器经常会出现短路,因此电流感测电阻必须要能够承受短路过载而不被破坏。以Bourns型号CST0612的电流感测电阻为例,我们可以从其材料数据表计算出该元件的重量为0.0132 g。或者,也可以由其大小尺寸和铜与合金的密度(8.4 g/cm3)计算出此重量。


图3 : 温度的上升速率可以用公式计算
图3 : 温度的上升速率可以用公式计算

其中P是功率(瓦特),m是元件的重量(g),C则是金属合金的特定热容量(heat capacity)。


在1m欧姆的电阻上所出现的50 A过载,会产生每秒摄氏462度的温度转换速率。假设稳态温度为摄氏50度,则短路期间不能超过0.22秒。但此时间可以藉由增加电路板上的铜镀层总重量,来加以延长。


至於体积更厚更大的元件,例如重量为0.371g的CSS4J-4026,在相同的过载状况下,温度转换速率则为摄氏16.5度/秒。假设此元件目前的表面温度为摄氏100度,则在表面温度上升到摄氏170度的最大允许温度之前,它将可承受此期间的能量达四秒钟。


适当的电阻值

AD7403的电阻满幅输入为+/-250 mV。在最大电流下,可跨於大功率电流检测电阻上的压降。设计人员可以透过调整缩放因子来补偿较低的电压。


结论

根据IEC60747-17,额定为增强型隔离的数位隔离,其最小寿命应达37.5年。传统的光耦合器技术并没有这类的叁考数据,但往後设计人员应该可以对使用数位隔离系统更具信心。


使用特殊合金所制造出来的电流感测电阻,具有较低的电阻值温度漂移,且能产生输出电压,并由一隔离式调变器(例如,使用ADI iCoupler技术的调变器)用可调整的比例来加以读取。电流测量的准确度取决於电阻的温度,而该温度又取决於相对额定功率比例的功率值,以及环境温度。


(本文作者Cathal Sheehan任职於Bourns公司,Nicola O’Byrne任职於ADI公司)


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