1、適用于電機(jī)驅(qū)動的隔離標(biāo)準(zhǔn)更新信息

電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)人員大都知道設(shè)計(jì)需要滿足國際隔離標(biāo)準(zhǔn)。隔離很重要，原因如下：

防止高功率電路地連接的電氣噪聲感應(yīng)到低功率信號線路上。

防止危險(xiǎn)電壓和電流傳輸?shù)轿：^低的低壓環(huán)境，保障最終用戶的安全。

IEC61010-1第3版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須知曉導(dǎo)體間距離、電氣間隙和爬電距離。它還規(guī)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須知道應(yīng)將導(dǎo)線與罐裝、模塑料和薄膜絕緣層中的金屬部件分離。如果器件用在需符合IEC61010-1標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保所選器件能保證一定的安全性。根據(jù)IEC60747-17標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)隔離要利用行業(yè)公認(rèn)的經(jīng)時電介質(zhì)擊穿(TDDB)分析進(jìn)行測試，這樣有助于推斷器件的使用壽命和連續(xù)工作電壓(VIORM)。

IEC60747-17(DINVVDEV0884-11)明確定義了采用感性和容性技術(shù)的絕緣，而公認(rèn)的IEC60747-5-5標(biāo)準(zhǔn)則被用來定義采用光耦合器技術(shù)的絕緣。然而，IEC60747-5-5沒有規(guī)定通過TDDB分析來確定連續(xù)工作電壓和使用壽命。它依賴局部放電電壓測試來確定工作電壓，但并未定義器件的工作壽命。因此，感性和容性技術(shù)的最低額定壽命為37.5年，而對光耦合器隔離器則未作規(guī)定。

表1總結(jié)了光耦合器和非光耦合器標(biāo)準(zhǔn)的主要差異。結(jié)論是隨著時間推移，基于非光耦合器的標(biāo)準(zhǔn)會被更廣泛地接受，因?yàn)槠鋵υO(shè)計(jì)工程師而言安全性更高，并且具有更長的工作壽命。

表1.光耦合器和非光耦合器隔離的主要區(qū)別

*經(jīng)時電介質(zhì)擊穿。

**局部放電。

圖1.采用數(shù)字隔離和檢測電阻的三相電機(jī)驅(qū)動功能框圖

2、采用檢測電阻的典型增強(qiáng)隔離系統(tǒng)

圖1所示為一個典型三相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其利用檢測電阻測量繞組電流，并通過ADI公司的AD7403隔離式Σ-Δ調(diào)制器和sinc3濾波器提供反饋。AD7403使用單個二階調(diào)制器數(shù)字化電路來將檢測電阻的模擬信號轉(zhuǎn)換為隔離的一位數(shù)字脈沖流，其大小取決于滿量程輸入電壓范圍。然后，sinc3濾波器提取電流平均值，同時消除逆變器開關(guān)產(chǎn)生的噪聲。其存儲器可以存儲一個代表電流的16位整數(shù)，與此同時，它可以將該數(shù)值與一個代表電流限值的基準(zhǔn)值相比較，如果發(fā)生過載，它就會通過單獨(dú)的引腳發(fā)送警報(bào)。利用更短的濾波器監(jiān)控過載，并將其與測量濾波器并聯(lián)，可以縮短警報(bào)延遲時間。

AD7403具有增強(qiáng)隔離特性，調(diào)制器可以直接測量電流檢測電阻的電壓，除了一個由電阻和電容構(gòu)成的簡單分立低通濾波器以外，不需要其他額外元件。調(diào)制器的額定最大工作電壓為±250mV，因而電流檢測電阻的阻值需小于250mV/IMAX。

3、選擇合適檢測電阻的考慮因素

3.1電阻溫漂

AD7403的輸出為16位數(shù)值，因此限制電流測量潛在精度不是受限于ADC轉(zhuǎn)換，而是受限于電壓讀數(shù)本身。電阻隨溫度的漂移取決于電阻元件使用的材質(zhì)、功率額定值和元件的實(shí)際尺寸。

由鎳、銅、錳特殊合金制成的阻性元件的電阻溫漂曲線呈拋物線形狀，如圖2所示。對于電流檢測應(yīng)用，這些合金是精度最高的材料。圖2還顯示了BournsCSS4J-4026R型電阻溫漂的上限和下限，對應(yīng)于50ppm/°C的溫度系數(shù)。此差距是由電阻的銅引腳引起的，銅具有很高的TCR(4000ppm/°C)，導(dǎo)致溫漂增加。BournsCST0612系列是由特殊合金制成的1W、4引腳電阻。其尺寸為3.2mm×1.65mm，TCR為±100ppm/°C，BournsCST0612型和CSS4J-4026R型的TCR差異可以用銅含量相對于阻性元件的比例來解釋。增加低熱阻的銅有助于元件吸收高功率而不會過熱。本例展示了元件尺寸、功率額定值和阻值溫漂的取舍關(guān)系。

圖2.BournsCSS4J-4026R型電流檢測電阻的拋物線形TCR曲線

3.2電阻溫漂計(jì)算

讓我們以Bourns產(chǎn)品型號CSS4J-4026R-L500F為例，計(jì)算其在全功率和70°C環(huán)境溫度下的電阻溫漂。CSS4J-4026R-L500F是一款0.5mΩ(±1%)檢測電阻，額定功率為5W，最高環(huán)境溫度為130°C。在170°C時，其額定功率從100%減額至0W。因此，該元件的熱阻為8°C/W。在全功率和70°C環(huán)境溫度下，預(yù)期元件的表面溫度會達(dá)到110°C(70°C+8×5°C)。110°C時的阻值溫漂可以從圖3得知，25°C時的標(biāo)稱值為+0.45%。絕對容差為±1%，因此電流測量精度最大值為+1.45%。

3.3過載

電機(jī)驅(qū)動偶爾會發(fā)生短路，電流檢測電阻必須能夠承受短時過載而不受損。以BournsCST0612型電流檢測電阻為例，根據(jù)Bourns網(wǎng)站上的材料數(shù)據(jù)表，可以算出此元件的質(zhì)量為0.0132g。另外，也可以根據(jù)尺寸及銅合金的密度(8.4g/cm3)來計(jì)算。溫升速率可計(jì)算如下：

Where P is power(watts),m is the mass of the component(g),and C is the specific heat capacity of the metal alloy.

其中，P為功率(W)，m為元件質(zhì)量(g)，C為合金的比熱容量。

1mΩ的電阻過載50A時，會產(chǎn)生每秒462°C的溫度壓擺率。假設(shè)穩(wěn)態(tài)溫度為50°C，則短路周期的寬度不能超過0.22秒。通過在電路板上鍍銅以增加整體質(zhì)量，可以延長此寬度。

在相同過載下，使用較厚、較大的元件時，例如質(zhì)量為0.371g的CSS4J-4026型電阻，溫度壓擺率將是每秒16.5°C。假設(shè)元件表面溫度為100°C，則它承受該能量的最長時間將是4秒，然后表面溫度才會達(dá)到最大允許值170°C。

3.4合適的阻值

電阻提供的AD7403滿量程輸入為±250mV。表2中的矩陣列出了最大電流時Bourns高功率電流檢測電阻上的壓降。對于較低電壓，設(shè)計(jì)人員可通過調(diào)整比例因子來補(bǔ)償。

表2.最大電流和Bourns電流檢測電阻上的壓降

結(jié)語

根據(jù)IEC60747-17，具有增強(qiáng)隔離性能的數(shù)字隔離器的最低壽命應(yīng)為37.5年。雖然更傳統(tǒng)的光耦合器技術(shù)沒有此類指標(biāo)，但未來數(shù)字隔離系統(tǒng)會對設(shè)計(jì)人員提供更多保障。利用特殊合金制成的電流檢測電阻具有很低的電阻溫漂，其產(chǎn)生的輸出電壓可以由隔離式Σ-Δ調(diào)制器（例如采用ADIiCoupler®技術(shù)的器件）用一個可調(diào)整比例因子來讀取。電流測量的精度取決于電阻溫度，后者又取決于功率相對于額定功率的比例以及環(huán)境溫度。

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