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为增强隔离的电机控制选择检测电阻

电流检测电阻器的使用是电机控制系统设计趋势的一部分,这得益于采用新的数字隔离技术。这些技术为设计人员提供了更高的可靠性水平,基于组件级别标准IEC 60747-17,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,如更快的回路响应,允许集成的过流保护,以及更短的死区时间。这使得输出电压平滑,从而提供更好的扭矩控制。电机驱动设计人员很可能意识到需要符合国际隔离标准。隔离是必要的,原因很多。1)防止高功率电路的接地引起的电气噪声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,低电压环境,为最终用户提供电气安全。

IEC 61010-1 Edition 3标准规定,系统级设计人员必须通过空气(间隙)和表面(漏电)来了解导体之间的距离。它还规定他们必须知道灌封,导电胶和金属部件在导体和金属部件之间的分离以及薄膜绝缘。设计人员应确保选定的元器件在符合IEC61010-1标准的系统上使用时,能够保证一定的安全水平,根据业界公认的与时间有关的介质击穿(TDDB)分析,这有助于推断器件的寿命和连续工作电压(VIORM)。

表1.光耦合器和非光耦隔离的主要区别



IEC 60747-17(DIN V VDE V 0884-11)采用电感和电容技术来确定绝缘,IEC 60747-5-5标准被用来定义使用光耦合器技术的绝缘。然而,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,但不确定器件的工作寿命。因此,电感和电容技术的最小额定寿命为37.5年,而光耦隔离器没有定义。表1总结了光耦合器和非光耦合器标准之间的关键区别。

图1.具有数字隔离和检测电阻的三相电机驱动的框图



图1显示了典型的三相永磁电机驱动器,使用检测电阻器来测量绕组电流,并通过ADI公司的AD7403隔离式Σ-Δ调制器和sinc3滤波器进行反馈。AD7403使用一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,该比特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,同时消除由逆变器开关产生的噪声。它可以在内存中存储一​​个表示电流的16位整数,同时可以将该数字与表示电流限制的参考进行比较,并在过载情况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测,与测量过滤器并行,可以缩短警报等待时间。AD7403具有增强型隔离功能,允许通过调制器直接测量电流检测电阻器的电压,除了包含电阻器和电容器的简单离散低通滤波器之外,无需额外元件。调制器规定的最大工作电压为±250mV,要求电流检测电阻的阻值小于250mV / IMAX。

鉴于AD7403的输出是16位数字,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。电阻随温度的漂移取决于电阻器元件中使用的材料以及部件的额定功率和实际物理尺寸。由镍,铜和锰的特殊合金构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检测应用的最精确的材料。图2还显示了Bourns型号CSS4J-4026R电阻的电阻漂移的上限和下限,对应的温度系数为50 ppm /°C。这个差距是由电阻器的铜端子引起的,这由于铜的高TCR(4000ppm /℃)而增加漂移。Bourns CST0612系列是一种由特殊合金制成的1W,4端电阻器。它的尺寸为3.2mm×1.65mm,TCR为±100ppm /°C,而Bourns型号CST0612和CSS4J-4026R型号之间的TCR差异可以用铜的比例来解释,相对于电阻元件。具有低热阻的额外铜有助于元件吸收高功率而不过热。这个例子演示了元件尺寸,功率额定值和电阻值随温度的漂移之间的折中。而Bourns型号CST0612和CSS4J-4026R型号之间的TCR差值可以用铜的比例来解释,相对于电阻元件。具有低热阻的额外铜有助于元件吸收高功率而不过热。这个例子演示了元件尺寸,功率额定值和电阻值随温度的漂移之间的折中。而Bourns型号CST0612和CSS4J-4026R型号之间的TCR差值可以用铜的比例来解释,相对于电阻元件。具有低热阻的额外铜有助于元件吸收高功率而不过热。这个例子演示了元件尺寸,功率额定值和电阻值随温度的漂移之间的折中。

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来计算全功率和环境温度为70°C时的电阻漂移。CSS4J-4026R-L500F是一个额定功率为5瓦的0.5mΩ(±1%)检流电阻,最高环境温度为130°C。在170°C时,从100%功率降至零瓦。因此,组件的热阻为8°C / W。在满功率和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°C 5°C)。在110°C的电阻漂移可以从图2中获得,这是25°C时的标称值的+ 0.45%。绝对公差为±1%,因此电流测量精度最高为+ 1.45%。

电机驱动器会经常短路,电流检测电阻器必须能够处理短暂的过载而不被损坏。以Bourns型号CST0612电流检测电阻为例,可以从Bourns网站的材料数据表中以0.0132g计算该组分的质量。或者,可以从尺寸和铜和合金的密度(8.4 g / cm3)计算出来。温度上升速率可以通过以下方式计算:

dT = P

dt mC

其中P是功率(W),m是组分(g)的质量,C是金属合金的比热容。在1mΩ电阻下,50A的过载会产生每秒462°C的温度转换速率。假定50℃的稳态温度,短路时间的宽度不能超过0.22秒。这可以通过增加电路板上铜镀层的总质量来扩展。一个较厚的较大的部件,如型号CSS4J-4026,质量为0.371g,在相同的过载情况下,每秒的温度转换速率为16.5°C。假设组件的表面温度为100°C,在表面温度达到170°C的最大允许值之前,它将处理能量长达四秒。

AD7403的电阻满量程输入为±250 mV。以下矩阵列出了Bourns高功率电流检测电阻器型号在最大电流下的电压降。设计者可以通过调整比例因子来补偿较低的电压。

根据IEC60747-17标准,数字隔离器的最小使用寿命为37.5年。虽然传统的光耦合器技术没有这样的参考,但是设计师在将来可以更放心地使用数字隔离系统。使用特殊合金制造的电流检测电阻在整个温度范围内具有较低的电阻漂移,并且产生的输出电压可以通过一个隔离式Σ-Δ调制器(如使用ADI公司i耦合器技术的那些调制器)的可调比例因子进行读取。电流测量的准确度将取决于电阻器的温度,而电阻器的温度又取决于功率作为额定功率的比例以及环境温度。
(责任编辑:ioter)

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