利用隔離式電壓檢測(cè)充分提高功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制效率

隨著汽車和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Λ@取更多可再生能源的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)小型、高效、精確且具有成本效益的功率轉(zhuǎn)換器和電機(jī)控制器的需求正在高速增長(zhǎng)。

用于測(cè)量高電壓的精確隔離式電壓檢測(cè)是一項(xiàng)重大的電氣工程挑戰(zhàn)，并且電壓變得越來(lái)越高。直流電壓從 400VDC 增加到 800VDC，甚至高達(dá) 1,500VDC。消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)承受能力也變得越來(lái)越重要，尺寸優(yōu)化正在推動(dòng)更大規(guī)模的創(chuàng)新。因此，迫切需要能滿足當(dāng)今要求的精密、尺寸優(yōu)化、電隔離電壓檢測(cè)器件。

汽車制造商每年都會(huì)提出研發(fā)電動(dòng)汽車 (EV) 的目標(biāo)，期望實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的行駛里程（大于 400 英里）和提供更好的操作安全性，同時(shí)保持實(shí)惠的價(jià)格。集成式隔離式直流電壓檢測(cè)器件可以在車載充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和電池管理系統(tǒng)中提供低于 1% 的直流電池電壓精度誤差，從而更大限度地提高直流電壓測(cè)量值并延長(zhǎng)行駛里程。集成的隔離式交流電壓檢測(cè)器件可以在緊湊型集成電路 (IC) 中精確測(cè)量單相或三相交流電網(wǎng)電壓，從而更大限度地提高電網(wǎng)對(duì)電壓電平的利用率。交流和直流隔離式電壓檢測(cè)器件均可通過(guò)檢測(cè)功能故障并通知驅(qū)動(dòng)器來(lái)確保運(yùn)行安全。通過(guò)將外部元件集成到單個(gè) IC 中，交流和直流隔離式電壓檢測(cè)器件還可以提高性價(jià)比，從而幫助設(shè)計(jì)人員通過(guò)更節(jié)能的設(shè)計(jì)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

在智能能源基礎(chǔ)設(shè)施中，具有高級(jí)集成度的隔離式電壓檢測(cè)器件可以降低直流和交流充電器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏逆變器的成本并提高功率密度。這些隔離式電壓檢測(cè)器件還可以實(shí)現(xiàn)高精度電壓測(cè)量，精度誤差小于 1%，從而實(shí)現(xiàn)更精確的電力輸送和更低的功率耗散。效率提高后，節(jié)省下來(lái)的成本就有可能讓消費(fèi)者獲益。能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用需要同時(shí)測(cè)量交流和直流電壓。

對(duì)于交流電壓檢測(cè)，精確的隔離式電壓傳感器可以更精確地測(cè)量電網(wǎng)電壓，這對(duì)于功率轉(zhuǎn)換器非常重要，因?yàn)樾枰私饷總€(gè)電壓之間的相位差才能執(zhí)行功率因數(shù)校正。在逆變器模式下，隔離式電壓傳感器為負(fù)載和/或電網(wǎng)提供精確的電壓電平。

對(duì)于直流電壓檢測(cè)，精確的隔離式電壓傳感器有助于在恒壓階段加快電池充電至最終電壓時(shí)的充電速度，而不會(huì)損壞電池。圖 1 展示了在電動(dòng)汽車和能源基礎(chǔ)設(shè)施中進(jìn)行隔離式電壓檢測(cè)的示例。

圖 1：電動(dòng)汽車和能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的

隔離式電壓檢測(cè)

在當(dāng)今的電機(jī)控制應(yīng)用（包括工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和汽車牽引逆變器）中，越來(lái)越需要更精確的直流電壓測(cè)量。高度精確和緊湊的 IC 可以實(shí)現(xiàn)更高效的直流測(cè)量，并且不會(huì)占用印刷電路板 (PCB) 上的太多空間，而這兩個(gè)方面都是電機(jī)控制應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

高壓檢測(cè)解決方案

德州儀器正大力開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，幫助應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)并實(shí)現(xiàn)更高效、更具成本效益和更精確的功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制系統(tǒng)。我們開(kāi)發(fā)了兩種新的隔離式電壓檢測(cè)技術(shù)，包括集成式高壓電阻器和單端輸出器件。

集成電阻器件

AMC0380D04-Q1、AMC0381D10-Q1 和 AMC0386M10-Q1 系列電隔離電壓檢測(cè)放大器和調(diào)制器集成了高壓電阻分壓器，且無(wú)需昂貴的大型外部電阻器即可將電壓降至 ±1V 或 0V 至 2V 電平。獨(dú)立式高壓電阻器會(huì)占用 PCB 上的大量空間，因?yàn)榭赡苄枰噙_(dá) 15 個(gè)高壓電阻器來(lái)降低電壓并保持系統(tǒng)的隔離等級(jí)。獨(dú)立式高壓電阻器也是測(cè)量誤差、壽命漂移和溫度漂移的重要來(lái)源，需要下線校準(zhǔn)。

在節(jié)約布板空間方面，AMC0380D04-Q1 ±400VAC 輸入隔離放大器、AMC0381D10-Q1 1,000VDC 輸入隔離放大器和 AMC0386M10-Q1 ±1,000VAC 輸入隔離調(diào)制器無(wú)需外部高壓電阻器，從而節(jié)省系統(tǒng)級(jí)成本并將解決方案尺寸縮減多達(dá) 50%，如圖 2 所示。

圖 2：集成電阻器系列的集成優(yōu)勢(shì)

通過(guò)將高電壓電阻器集成到我們的隔離式電壓檢測(cè)器件中，無(wú)需使用大型電阻梯。我們還通過(guò)校準(zhǔn) AMC0380D04-Q1、AMC0381D10-Q1 和 AMC038610-Q1 的內(nèi)部電阻器的增益誤差，避免了系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)，這可以節(jié)省制造時(shí)間和成本。

這些器件還有助于提高精度，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。與分立式電阻器相比，集成分壓器具有非常低的溫度漂移和使用壽命漂移，可實(shí)現(xiàn)低于 1% 的電壓測(cè)量精度。

單端輸出器件

在使用 AMC1311 等業(yè)界通用隔離式放大器設(shè)計(jì)隔離式電壓檢測(cè)電路時(shí)，一個(gè)常見(jiàn)挑戰(zhàn)是將隔離式放大器的差分輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，以直接連接微控制器 (MCU) 內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。這可能成本高昂，并會(huì)占用額外的 PCB 空間。

為了節(jié)省布板空間，AMC0311R-Q1、AMC0311S-Q1、AMC0330R-Q1 和 AMC0330S-Q1 器件無(wú)需使用差分轉(zhuǎn)單端電路（通常由運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓組成），從而有助于節(jié)省系統(tǒng)級(jí)成本并縮減解決方案尺寸（請(qǐng)參閱圖 3）。

圖 3：傳統(tǒng)的隔離式電壓檢測(cè)拓?fù)?/p>

圖 4 展示了這些單端器件的引腳排列。

圖 4：差分轉(zhuǎn)單端運(yùn)算放大器的集成

除了 AMC0311R-Q1 和 AMC0330R-Q1 器件所帶來(lái)的布板空間節(jié)省外，它們的比例式輸出可實(shí)現(xiàn)可變輸出增益，從而通過(guò)隔離式電壓檢測(cè)器件提供輸出擺幅，該器件遵循 MCU 內(nèi)部 ADC 的基準(zhǔn)電壓，如圖 5 所示。這允許使用 ADC 的全動(dòng)態(tài)范圍來(lái)提高分辨率測(cè)量值。

圖 5：比例輸出隔離式電壓檢測(cè)

集成隔離式電壓檢測(cè)用例

圖 6 展示了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?。?duì)于交流電壓檢測(cè)，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0380D04-Q1（綠色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0330D-Q1、AMC0330S-Q1 或 AMC0330R-Q1（黃色矩形）。

對(duì)于直流電壓檢測(cè)，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0381D10-Q1 和 AMC0386M10-Q1（藍(lán)色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0311D-Q1、AMC0311S-Q1 或 AMC0311R-Q1（紅色矩形）。

圖 6：功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的隔離式電壓檢測(cè)

圖 7 展示了電機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)洹?duì)于交流電壓檢測(cè)，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0380D04-Q1（綠色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0330D-Q1、AMC0330S-Q1 或 AMC0330R-Q1（黃色矩形）。

對(duì)于直流電壓檢測(cè)，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0381D10-Q1 和 AMC0386M10-Q1（藍(lán)色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0311D-Q1、AMC0311S-Q1 或 AMC0311R-Q1（紅色矩形）。

圖 7：電機(jī)控制應(yīng)用中的隔離式電壓檢測(cè)

結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今市場(chǎng)，小型、高效、精確且具有成本效益的功率轉(zhuǎn)換器和電機(jī)控制器是大勢(shì)所趨。用于交流電壓檢測(cè)的 AMC0380D04-Q1、AMC0386M10-Q1、AMC0330D-Q1、AMC0330S-Q1 和 AMC0330R-Q1 器件以及用于直流電壓檢測(cè)的 AMC0381D-Q1、AMC038610-Q1、AMC0311D-Q1、AMC0311S-Q1 和 AMC0311R-Q1 器件可應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，幫助實(shí)現(xiàn)未來(lái)凈零排放的目標(biāo)。