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具增強隔離效能之馬達控制感測電阻選擇
[作者 Cathal Sheehan等]   2017年06月30日 星期五 瀏覽人次: [1294]


採用電流檢測電阻,除了是目前馬達控制系統設計的趨勢之一,還能受益於新型的數位隔離技術。這類技術基於元件級標準IEC 60747-17(其中規定了電容和磁耦合隔離器的性能、測試、和認證要求),為設計人員提供了較高的可靠性。數位隔離還能提供其他的優點,例如較快的回路響應、允許整合的過電流保護,以及較短的死區時間(dead times)。藉此可實現較平滑的輸出電壓,從而提供更好的扭矩控制。


適用於馬達驅動的各種隔離標準

馬達驅動器的設計者,通常都了解遵守國際隔離標準的必要性。隔離之所以必要的原因如下:


? 能防止來自高功率電路上接地連接的電氣雜訊,被感應到低功率訊號線上。


? 能防止具危險性的電壓和電流被傳導到良性的低電壓環境,以便為終端使用者提供電氣安全。


依IEC 61010-1第3版標準的規定,系統層級設計人員必須知道導體之間的距離,包括通過空氣(間隙)和表面(爬電)。該標準也規定他們必須了解灌封(potting)中,導體和金屬元件之間的分離狀態,模塑料、以及絕緣薄膜。


在設計符合IEC 61010-1的系統時,設計人員應確認所選擇的元件能保證一定程度的安全性。根據IEC 60747-17標準,加強隔離測試必須採用業界所接受的「時間依存電介質擊穿(time dependent dielectric breakdown, TDDB)分析」手法,以利推斷設備的使用壽命和持續工作電壓(VIORM)。


IEC 60747-17(DIN V VDE V 0884-11)具體定義了採用電感和電容技術所實現的絕緣,而IEC 60747-5-5標準則是定義採用光耦技術的絕緣。然而,IEC 60747-5-5中,並沒有規定要使用TDDB分析來確定連續工作電壓或壽命。該標準是依靠部分放電電壓測試來建立工作電壓,但並未定義元件的工作壽命。因此,電感和電容技術所定義的最小額定壽命為37.5年,而基於光耦合器的隔離器則沒有相關的定義。


表1整理了基於光耦合器標準與非基於光耦合器標準之間的主要差異。其結論是,非基於光耦合器的標準會隨著時間的推移,市場接受度逐漸提高,因為它能為設計人員提供較高的安全性與較長的工作壽命。


基於光耦合器和非基於光耦合器的兩種隔離標準之間的差異

規格

IEC 60747-17

IEC 60747-5-5

 

基本型隔離

增強型隔離

只有增強型的隔離

部分放電測試

1.5 × VIORM

1.875 × VIORM

1.875 × VIORM

工作電壓
(VIORM)

基於
TDDB* 分析

基於
TDDB* 分析

基於
PD** 測試

最短額定生命週期

26年

37.5年

未定義

生命週期中的故障率

1000 ppm

1 ppm

未定義

* 時間依存的介電崩潰(Time dependent dielectric breakdown) ** 部分放電(Partial discharge)


圖1 : 具有數位隔離和感測電阻的三相馬達驅動器的方塊圖
圖1 : 具有數位隔離和感測電阻的三相馬達驅動器的方塊圖

使用感測電阻的增強型隔離所構成的典型系統

圖1所示,為一典型的三相永磁馬達驅動器,它使用感測電阻來測量繞組(winding)電流,並透過ADI的隔離式Σ-Δ調變器AD7403及sinc3濾波器來取得回授。AD7403使用了一個單二階(single second order)調變器數位化電路,將來自感測電阻的類比訊號,轉換為隔離的單一位元脈衝流(single bit pulse stream),並根據滿幅輸入電壓範圍進行縮放。sinc3濾波器接著提取出電流的平均值,同時消除由反向器(inverter)的開關動作所產生的雜訊。


AD7403可以存入一代表記憶體中電流的16位元整數,並將該數字與一代表電流限制的參考值進行比較,並在過載狀態時,透過一單獨的接腳發送出警報。由於使用了較短的濾波器(來進行過載監測)以及測量濾波器,讓警報延遲時間(alert latencies)得以縮短。


AD7403具有增強的隔離能力,可以透過調變器直接測量到電流感測電阻的電壓,除了由一電阻和一電容所組成的簡單分立式低通濾波器,無需其他額外的元件。調變器的規定最高工作電壓為±250 mV,因此其要求的電流感測電阻的阻值需小於250 mV / IMAX。


選擇適當感測電阻時的考量

電阻值的溫度漂移

由於AD7403的輸出是一個16位元數字,因此電流測量的潛在準確度,並非受到ADC轉換的限制,而是受電壓讀值本身所限制。電阻值的溫度漂移,會隨著電阻元素中所使用的材料、電阻的額定功率,和元件的實際大小尺寸而變化。


由鎳銅錳特殊合金所構成的電阻性元素,具有拋物線型的電阻漂移曲線,如圖2所示。這類合金是用於電流感測應用中,準確性最佳的材料。圖2顯示了一Bourns型號CSS4J-4026R電阻,對應於50ppm /℃的溫度係數,其電阻漂移的上下限。此差距是由電阻的銅端子所造成,也就是由於銅的高TCR所導致的漂移(4000ppm /℃)。Bourns型號CST0612系列是由特殊合金所製成的1 W、4端子電阻。它的尺寸為3.2 mm×1.65 mm,TCR為±100ppm /℃。


至於Bourns的CST0612型號與CSS4J-4026R型號之間的TCR差異,可以透過其所含銅相對於電阻性元素的比例來得到解釋。藉由具有較高成分比例的低熱阻銅,有助於元件吸收高功率而不會過熱。在此例中,說明了元件尺寸、額定功率、和電阻溫度漂移之間的權衡取捨關係。



圖2 : CSS4J-4026R電流感測電阻的拋物線型TCR曲線
圖2 : CSS4J-4026R電流感測電阻的拋物線型TCR曲線

電阻值漂移計算

讓我們使用Bourns的CSS4J-4026R-L500F,來計算該元件在滿功率且70°C環境溫度條件下的電阻漂移量。CSS4J-4026R-L500F是一具有130°C的最大工作環境溫度,且額定功率為5瓦的0.5mΩ(±1%)感測電阻。當溫度達到170°C時,它便會從100%功率降至0 W。因此,此元件的熱阻值為8°C / W。在滿功率和70°C環境溫度的條件下,元件的表面溫度預期將會達到110°C(70°C + 8×5°C)。在110℃下的電阻值漂移可從圖3中得到,相當於是在25℃下標稱值的+ 0.45%。絕對公差為±1%,因此,電流測量的準確度最大為+ 1.45%。


過載

馬達驅動器經常會出現短路,因此電流感測電阻必須要能夠承受短路過載而不被破壞。以Bourns型號CST0612的電流感測電阻為例,我們可以從其材料數據表計算出該元件的重量為0.0132 g。或者,也可以由其大小尺寸和銅與合金的密度(8.4 g/cm3)計算出此重量。


圖3 : 溫度的上升速率可以用公式計算
圖3 : 溫度的上升速率可以用公式計算

其中P是功率(瓦特),m是元件的重量(g),C則是金屬合金的特定熱容量(heat capacity)。


在1m歐姆的電阻上所出現的50 A過載,會產生每秒攝氏462度的溫度轉換速率。假設穩態溫度為攝氏50度,則短路期間不能超過0.22秒。但此時間可以藉由增加電路板上的銅鍍層總重量,來加以延長。


至於體積更厚更大的元件,例如重量為0.371g的CSS4J-4026,在相同的過載狀況下,溫度轉換速率則為攝氏16.5度/秒。假設此元件目前的表面溫度為攝氏100度,則在表面溫度上升到攝氏170度的最大允許溫度之前,它將可承受此期間的能量達四秒鐘。


適當的電阻值

AD7403的電阻滿幅輸入為+/-250 mV。在最大電流下,可跨於大功率電流檢測電阻上的壓降。設計人員可以透過調整縮放因子來補償較低的電壓。


結論

根據IEC60747-17,額定為增強型隔離的數位隔離,其最小壽命應達37.5年。傳統的光耦合器技術並沒有這類的參考數據,但往後設計人員應該可以對使用數位隔離系統更具信心。


使用特殊合金所製造出來的電流感測電阻,具有較低的電阻值溫度漂移,且能產生輸出電壓,並由一隔離式調變器(例如,使用ADI iCoupler技術的調變器)用可調整的比例來加以讀取。電流測量的準確度取決於電阻的溫度,而該溫度又取決於相對額定功率比例的功率值,以及環境溫度。


(本文作者Cathal Sheehan任職於Bourns公司,Nicola O’Byrne任職於ADI公司)


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