在上期中，我們探討了如何在 PFC 電路中使用小型升壓轉換器提高功率密度。

本期，為大家帶來的是《交流電機驅動器中的隔離式電壓檢測》，將介紹交流電機驅動器終端設備中三種常見的電壓測量過程的概念和工作原理，從而為選擇適當的隔離式放大器提供指導。

引言

汽車和工業終端設備（如電機驅動器、串式逆變器和車載充電器）在高電壓下運行，而人直接碰觸到高電壓時會發生危險。隔離式電壓測量可幫助優化運行，并保護人員安全，避免他們碰到執行某種功能的高壓電路。

隔離式放大器專為高性能而設計，用于跨隔離柵傳輸電壓測量數據。隔離式放大器的選型標準包括隔離規格、輸入電壓范圍、精度要求以及高壓側供電方式（通常受應用的測量位置影響）。

本文通過說明如何評估交流電機驅動器終端設備中三種常見的電壓測量過程，為選擇適當的隔離式放大器提供指導。

第一個標準是要求的隔離規格。德州儀器 (TI) 的隔離式放大器和調制器通常根據器件級標準，如德國標準化協會 (DIN)、德國電氣工程師協會 (VDE) 0884-17、DIN 歐洲標準 (EN) 國際電工委員會 (IEC) 60747-17 和美國保險商實驗室 (UL) 1577，經認證列于基礎型或增強型隔離等級。

輸入電壓范圍、精度要求和高壓側供電方式的選擇取決于應用中電壓節點的測量位置。圖 1是交流電機驅動器的簡化方框圖，其中包括用于電壓測量的三個常用位置：左邊是交流電源，中間是直流鏈路，右邊是電機相位。隔離式放大器精度高且易于使用，很適合用于這類測量。

圖 1：交流電機驅動器應用

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

圖 2：具有內部直流/直流轉換器的 AMC3330 隔離式放大器

要計算電機驅動器中的脈寬調制 (PWM) 占空比，通常需要測量圖 1 中間顯示的直流鏈路電壓，且精度為 1% 或以上。

在制動操作期間，直流鏈路電壓增加，需要主動限制此電壓，以保護功率級，例如通過啟用再生制動提供保護。低延遲測量能夠對過壓事件更快做出響應，并使系統在更接近其硬件極限的情況下運行，實現更嚴格的設計裕量和更低的系統成本。直流鏈路電容通常為幾百 μF，要在維修設備前確定直流鏈路電容是否已適當放電至安全水平，需要在低電壓 (<100V) 下進行準確測量。此外，高分辨率交流紋波測量可以測量連接的交流電源中的相位檢測損耗，可能無需進行單獨的電網側相位測量。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，因為有六個半波進行整流。在低負載下（當電機未在旋轉時），紋波電壓幅度會很低；因此，您可能需使用調制器來進行超高分辨率測量。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））專為直流鏈路電壓測量設計。它們需要以 DC– 為基準的本地電源為高壓側供電，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

基于直流鏈路測量和 PWM 占空比來測量實際相電壓而不是估計相電壓，能夠進一步改進無傳感器交流電機驅動器的性能。直接測量相電壓可提供更加精確的結果，因為這包括系統中的所有損耗以及 PWM 死區時間失真的影響。一種方法是測量相對于 DC- 軌的所有三個相位，使用三個單極輸入隔離式放大器和單個隔離式電源（如圖3所示）為所有三個隔離式放大器的高側供電。

節省硬件成本的替代方法是僅測量兩個相間電壓并計算第三個電壓。此方法僅需要兩個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的額外工作。兩次測量相對于其中一個相電壓進行，這需要通過頂部絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的高側柵極驅動器浮動電源為隔離式放大器供電，如圖 4所示。帶有內部直流/直流轉換器的器件（如 AMC3330）大大簡化了電路，可節省更多空間并提高系統效率。

圖 4：帶有浮動電源的 AMC1350 隔離式放大器

對于每種電壓測量，電阻分壓器必須降低高壓節點的電壓，以匹配隔離式放大器的輸入范圍。在設計電阻分壓器電路時，存在三種常見挑戰：

從隔離式放大器流動到檢測電阻的輸入偏置電流會產生失調電壓誤差。

檢測電阻與隔離式放大器的輸入阻抗并聯，降低有效檢測電阻并產生增益誤差。此外，隔離式放大器的輸入阻抗由于工藝變化，在器件之間會有 ±20% 的偏差，如果未予說明，會顯示為增益誤差。

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的器件，可以顯著減少攻克上述挑戰所需的工作量；不過，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設計高精度電壓測量電路。

具有較寬輸入范圍的隔離式放大器對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，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），并且需要增益校準才能達到較高的精度水平。高阻抗輸入器件提供較高的未校準精度，并可減少設計工作量。

表 1：德州儀器 (TI) 的電壓檢測隔離式放大器

結論

德州儀器 (TI) 提供適用于高阻抗電壓測量的各種隔離式放大器，能夠讓您在成本、性能、易實現性和布板空間之間做出適當權衡，從而根據您的要求優化設計并滿足行業隔離性能標準。