通过增强隔离选择用于电机控制的感应电阻

电流检测电阻的使用是电机控制系统设计趋势的一部分,受益于采用新的数字隔离技术。这些技术基于组件级标准IEC 60747-17的引入,为设计人员提供了更高的可靠性水平,该标准规定了电容式和磁耦合隔离器的性能,测试和认证要求。数字隔离提供了其他好处,例如更快的环路响应,允许集成的过流保护,以及更短的死区时间。这样可以实现更平滑的输出电压,从而更好地控制扭矩。电机驱动器的设计者很可能意识到需要遵守国际隔离标准。出于多种原因,隔离是必要的。1)它防止来自高功率电路的接地连接的电噪声被感应到低功率信号线上。2)通过防止危险电压和电流转移到良性低压环境,为最终用户提供电气安全。

IEC 61010-1第3版标准规定系统级设计人员必须了解导体之间的距离,通过空气(间隙)和过表面(爬电距离)。它还规定他们必须知道在灌封,模塑化合物和薄膜绝缘中导体和金属部件之间的分离。根据业界公认的时间依赖性介电击穿(TDDB)分析,设计人员应确保所选组件在符合IEC61010-1的系统上使用时保证一定的安全性,然后有助于推断设备的使用寿命。和连续工作电压(VIORM)。

表1.光耦合器和基于非光耦合器的隔离之间的主要区别

 

虽然采用IEC 60747-17(DIN V VDE V 0884-11)来专门定义使用电感和电容技术的绝缘,但已使用成熟的IEC 60747-5-5标准来定义使用光耦合器技术的绝缘。但是,IEC 60747-5-5没有规定TDDB分析来确定连续工作电压或寿命。它依靠局部放电电压测试来确定工作电压,但没有定义器件的工作寿命。因此,电感和电容技术的最小额定寿命为37。5年,而基于光耦合器的隔离器没有定义。表1总结了光耦合器和非光耦合器标准之间的主要区别。

图1.带有数字隔离和检测电阻的三相电机驱动的框图

 

图1显示了一个典型的三相永磁电机驱动器,它使用检测电阻测量绕组电流,并通过ADI公司的AD7403隔离式Σ-Δ调制器和sinc3滤波器提供反馈。AD7403采用单个二阶调制器数字化电路,将来自检测电阻的模拟信号转换为隔离的单比特脉冲流,可根据满量程输入电压范围进行调整。然后,sinc3滤波器提取电流的平均值,同时消除逆变器切换产生的噪声。它可以存储一个16位整数,表示存储器中的电流,同时,它可以将数字与表示电流限制的参考值进行比较,并在过载条件下通过单独的引脚发送警报。使用较短的过滤器进行过载监控,与测量过滤器并行,可以减少警报延迟。AD7403具有增强型隔离功能,允许电流检测电阻器电压直接由调制器测量,除了包含电阻器和电容器的简单,分立,低通滤波器外,不需要额外的元件。调制器规定的最大工作电压为±250mV,要求电流检测电阻的电阻值小于250 mV / IMAX

鉴于AD7403的输出为16位数,电流测量的潜在精度不受ADC转换的限制,而是受电压读数本身的限制。电阻随温度的漂移将根据电阻器元件中使用的材料以及额定功率和元件的实际物理尺寸而变化。由镍,铜和锰的特殊合金组成的电阻元件具有抛物线电阻漂移曲线,如图2所示。这些合金是用于电流传感应用的最精确的材料。图2还显示了Bourns型号CSS4J-4026R电阻器的电阻漂移的上限和下限,对应于50 ppm /°C的温度系数。这个间隙是由电阻器的铜端子引起的,由于铜的高TCR(4000 ppm /°C)会增加漂移。Bourns型号CST0612系列是1W,4端子电阻,由特殊合金制成。它的尺寸为3.2mm×1.65mm,TCR为±100 ppm /°C,Bourns型号CST0612和型号CSS4J-4026R之间的TCR差异可以用铜的比例来解释,相对于电阻元件。额外的铜具有低热阻,有助于元件吸收高功率而不会过热。这个例子说明了元件尺寸,额定功率和电阻值随温度的漂移之间的权衡。并且Bourns型号CST0612和型号CSS4J-4026R之间的TCR差异可以通过铜相对于电阻元件的比例来解释。额外的铜具有低热阻,有助于元件吸收高功率而不会过热。这个例子说明了元件尺寸,额定功率和电阻值随温度的漂移之间的权衡。并且Bourns型号CST0612和型号CSS4J-4026R之间的TCR差异可以通过铜相对于电阻元件的比例来解释。额外的铜具有低热阻,有助于元件吸收高功率而不会过热。这个例子说明了元件尺寸,额定功率和电阻值随温度的漂移之间的权衡。

图2. Bourns型号CSS4J-4026R电流检测电阻的抛物线TCR曲线

 

让我们使用Bourns部件号CSS4J-4026R-L500F来计算全功率和70°C环境温度下的电阻漂移。CSS4J-4026R-L500F是一个0.5mΩ(±1%)检测电阻,额定功率为5瓦,最高环境温度为130°C。它在170°C时从100%功率降至零W. 因此,元件的热阻为8℃/ W. 在全功率和70°C的环境温度下,我们可以预期组件的表面温度达到110°C(70°C + 8×5°C)。110°C时的电阻漂移可以从图2中获得,这是25°C时标称值的+ 0.45%。绝对容差为±1%,因此,电流测量的精度最高为+ 1.45%。

电机驱动器会不时出现短路,电流检测电阻必须能够处理短暂的过载而不会损坏。以Bourns型号CST0612电流检测电阻为例,可以从Bourns网站上的材料数据表中计算出该元件的质量,为0.0132g。或者,它可以根据尺寸,铜和合金的密度(8.4g / cm3)来计算。温度上升率可通过以下方式计算:

dT = P.

dt mC

其中P是功率(瓦特),m是组分(g)的质量,C是金属合金的比热容。电阻为1mΩ时的50A过载将产生每秒462°C的温度压摆率。假设稳态温度为50°C,短路周期的宽度不能超过0.22秒。这可以通过在电路板上通过镀铜来增加总质量来延长。较厚,较大的部件,如CSS4J-4026型,质量为0.371g,在相同的过载情况下,其温度压摆率为每秒16.5°C。假设该组件的表面温度为100°C,它将在表面温度达到最大允许值170°C之前处理能量长达4秒。

AD7403的电阻满量程输入为±250 mV。以下矩阵概述了Bourns高功率电流检测电阻器型号的最大电流下的电压降。设计人员可以通过调整比例因子来补偿较低的电压。

根据IEC60747-17,额定加强隔离的数字隔离器的最小寿命应为37。5年。虽然没有更多传统光耦合器技术的参考,但设计人员应该对未来使用数字隔离系统更有信心。电流感测电阻器使用特殊合金具有在整个温度范围低的电阻漂移制成,并且产生可以具有可调节的缩放因子由分离的Σ-Δ调制器被读取的输出电压,如采用ADI那些耦合器的技术。电流测量的精度取决于电阻器的温度,而电阻器的温度又取决于功率与额定功率的比例以及环境温度。

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