對於大功率工業系統（如電機驅動器和光伏逆變器）以及汽車系統（包括電動汽車 (EV) 充電器、牽引逆變器、車載充電器和DC/DC轉換器）而言，故障檢測機制必不可少。
故障檢測通過電流、電壓和溫度測量來診斷系統內的任何交流電源線波動、機械或電氣超載。在檢測到故障事件後，主機微控制器 (MCU) 會執行保護動作，例如關閉或修改功率電晶體的開關特性或使斷路器跳閘。
為了提高效率並減小系統尺寸，設計人員正從絕緣柵雙極電晶體 (IGBT) 改用寬頻隙碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關電晶體，從而實現更快的開關速度 (>100kHz) 和更短的耐受時間 (<5µs)。
要保護功率開關電晶體免受故障條件的影響，首先要使用基於分流器或基於霍爾效應的解決方案來檢測過流情況。雖然基於霍爾效應的解決方案支援單模組方法，但它們的測量精度很低，尤其在溫度升高的情況下。在基於分流器或基於霍爾效應的解決方案之間進行選擇時，要考慮隔離規格和初級導體電阻等其他因素。雖然兩種解決方案中的初級導體電阻可能會產生相同的散熱量，但是，隨著分流器技術的改進，分流器現在的電阻要小得多，從而能夠更大限度地減少散熱，並在整個溫度和壽命範圍內提供非常高的精度。
我們來看看幾種基於分流器的故障檢測方法：
使用隔離式放大器
圖1顯示了基於分流器的過流檢測解決方案，它有一個隔離式放大器和一個非隔離式比較器。如有必要，您可以使用同樣的隔離式放大器進行回饋控制。MCU接收比較器的輸出並發送信號，從而控制柵極驅動器的使能引腳或改變進入柵極驅動器輸入的脈寬調製週期。
圖 1：使用隔離式放大器和非隔離式比較器進行故障檢測
使用隔離式放大器、基於分流器的方法為故障檢測和回饋控制提供了高測量精度，其中的隔離式放大器可提供基本隔離或增強隔離。
然而，隔離式放大器的傳播延遲為 2µs - 3µs。根據過流檢測的延遲要求，基於隔離式放大器的方法可能不夠快。
使用隔離式調製器
如圖2所示，可以使用隔離式調製器同時進行過流檢測和回饋控制。隔離式調製器的隔離式資料輸出 (DOUT) 以顯著更高的頻率提供由1和0組成的數位位元流。該位元流輸出的時間平均值與類比輸入電壓成正比，MCU內的數位濾波器重建測量信號。MCU可以使用相同的位元流輸出並行運行多個數位濾波器，其中一個數位濾波器配置用於高精度回饋控制，另一個數位濾波器配置用於低延遲過流檢測。
圖 2：使用隔離式調製器進行故障檢測
與隔離式放大器相比，採用隔離式調製器的基於分流器的方法為故障檢測和回饋控制提供了更高測量精度。在最壞情況下，過流檢測的傳播延遲可低至1µs。
使用標準比較器和數位隔離器
圖3顯示了一個標準非隔離式比較器，後跟用於過流檢測的數位隔離器，以及用於回饋控制的隔離式放大器或調製器。在最壞情況下，過流檢測的傳播延遲可低於1µs，具體取決於所選的比較器和數字隔離器。但是，分立式實施會佔用更多印刷電路板 (PCB) 空間，並且對於需要更高精度的設計來說可能會變得昂貴。
圖3：使用標準比較器和數位隔離器進行故障檢測
使用隔離式比較器
圖4所示的隔離式比較器通過集成標準比較器和數位隔離器的功能，提供了一種小巧且超快的過流檢測方法。您可以使用隔離式放大器或隔離式調製器進行回饋控制。
圖 4：使用隔離式比較器進行故障檢測
AMC23C12等隔離式比較器為故障檢測提供了一種經濟高效的小尺寸解決方案。這些器件具有極低的延遲 (<400ns)，可實現更快的過流檢測。AMC23C12集成了一個用於為高端供電的寬輸入範圍（3V - 27V）低壓降穩壓器、一個單視窗比較器和一個電隔離層，與分立式實施相比，PCB面積減少高達50%，物料清單數量也更少。AMC23C12系列具有可調跳變閾值和低於3%的精度（在最壞情況下），可滿足日益增長的過流、過壓、過熱、欠壓和欠流檢測需求。
表 1 比較了各種基於分流器的故障檢測方法。
|
參數 |
隔離式放大器 |
隔離式調製器 |
分立式實施 |
隔離式比較器 |
|
延遲 |
差 |
合格 |
合格 |
非常好 |
|
精度 |
非常好 |
非常好 |
合格 |
非常好 |
|
尺寸 |
差 |
合格 |
差 |
非常好 |
|
成本 |
差 |
差 |
差 |
非常好 |
|
隔離 |
非常好 |
非常好 |
非常好 |
非常好 |
表 1：比較基於分流器的過流檢測方法
隨著提高系統彈性和採用更快的開關電晶體（如SiC和GaN）的需求激增，對準確和快速故障檢測的需求變得更加重要。AMC23C12系列隔離式比較器可快速檢測各種故障事件，説明設計人員開發具有更高容錯能力的高壓系統。
其他資源
• 請查看 TI 的隔離式放大器和調製器。
• 請閱讀模擬設計期刊文章“在電機驅動器中使用隔離式比較器進行過流和過壓故障檢測”。
關於德州儀器 (TI)
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