德州儀器隔離式交流電壓檢測器件的應(yīng)用示例

隨著汽車和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Λ@取更多可再生能源的需求不斷增長，對小型、高效、精確且具有成本效益的功率轉(zhuǎn)換器和電機(jī)控制器的需求正在高速增長。

用于測量高電壓的精確隔離式電壓檢測是一項重大的電氣工程挑戰(zhàn)，并且電壓變得越來越高。直流電壓從 400VDC 增加到 800VDC，甚至高達(dá) 1,500VDC。消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)承受能力也變得越來越重要，尺寸優(yōu)化正在推動更大規(guī)模的創(chuàng)新。因此，迫切需要能滿足當(dāng)今要求的精密、尺寸優(yōu)化、電隔離電壓檢測器件。

汽車制造商每年都會提出研發(fā)電動汽車 (EV) 的目標(biāo)，期望實(shí)現(xiàn)更長的行駛里程（大于 400 英里）和提供更好的操作安全性，同時保持實(shí)惠的價格。集成式隔離式直流電壓檢測器件可以在車載充電器、直流/直流轉(zhuǎn)換器和電池管理系統(tǒng)中提供低于 1% 的直流電池電壓精度誤差，從而更大限度地提高直流電壓測量值并延長行駛里程。集成的隔離式交流電壓檢測器件可以在緊湊型集成電路 (IC) 中精確測量單相或三相交流電網(wǎng)電壓，從而更大限度地提高電網(wǎng)對電壓電平的利用率。交流和直流隔離式電壓檢測器件均可通過檢測功能故障并通知驅(qū)動器來確保運(yùn)行安全。通過將外部元件集成到單個 IC 中，交流和直流隔離式電壓檢測器件還可以提高性價比，從而幫助設(shè)計人員通過更節(jié)能的設(shè)計縮短產(chǎn)品上市時間。

在智能能源基礎(chǔ)設(shè)施中，具有高級集成度的隔離式電壓檢測器件可以降低直流和交流充電器、儲能系統(tǒng)和光伏逆變器的成本并提高功率密度。這些隔離式電壓檢測器件還可以實(shí)現(xiàn)高精度電壓測量，精度誤差小于 1%，從而實(shí)現(xiàn)更精確的電力輸送和更低的功率耗散。效率提高后，節(jié)省下來的成本就有可能讓消費(fèi)者獲益。能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用需要同時測量交流和直流電壓。

對于交流電壓檢測，精確的隔離式電壓傳感器可以更精確地測量電網(wǎng)電壓，這對于功率轉(zhuǎn)換器非常重要，因?yàn)樾枰私饷總€電壓之間的相位差才能執(zhí)行功率因數(shù)校正。在逆變器模式下，隔離式電壓傳感器為負(fù)載和/或電網(wǎng)提供精確的電壓電平。

對于直流電壓檢測，精確的隔離式電壓傳感器有助于在恒壓階段加快電池充電至最終電壓時的充電速度，而不會損壞電池。圖 1展示了在電動汽車和能源基礎(chǔ)設(shè)施中進(jìn)行隔離式電壓檢測的示例。

圖 1：電動汽車和能源基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的隔離式電壓檢測

在當(dāng)今的電機(jī)控制應(yīng)用（包括工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器和汽車牽引逆變器）中，越來越需要更精確的直流電壓測量。高度精確和緊湊的 IC 可以實(shí)現(xiàn)更高效的直流測量，并且不會占用印刷電路板 (PCB) 上的太多空間，而這兩個方面都是電機(jī)控制應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

高壓檢測解決方案

德州儀器正大力開發(fā)產(chǎn)品，幫助應(yīng)對市場挑戰(zhàn)并實(shí)現(xiàn)更高效、更具成本效益和更精確的功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)控制系統(tǒng)。我們開發(fā)了兩種新的隔離式電壓檢測技術(shù)，包括集成式高壓電阻器和單端輸出器件。

集成電阻器件

AMC0380D04-Q1、AMC0381D10-Q1 和 AMC0386M10-Q1 系列電隔離電壓檢測放大器和調(diào)制器集成了高壓電阻分壓器，且無需昂貴的大型外部電阻器即可將電壓降至 ±1V 或 0V 至 2V 電平。獨(dú)立式高壓電阻器會占用 PCB 上的大量空間，因?yàn)榭赡苄枰噙_(dá) 15 個高壓電阻器來降低電壓并保持系統(tǒng)的隔離等級。獨(dú)立式高壓電阻器也是測量誤差、壽命漂移和溫度漂移的重要來源，需要下線校準(zhǔn)。

在節(jié)約布板空間方面，AMC0380D04-Q1 ±400VAC 輸入隔離放大器、AMC0381D10-Q1 1,000VDC 輸入隔離放大器和 AMC0386M10-Q1 ±1,000VAC 輸入隔離調(diào)制器無需外部高壓電阻器，從而節(jié)省系統(tǒng)級成本并將解決方案尺寸縮減多達(dá) 50%，如圖 2 所示。

圖 2：集成電阻器系列的集成優(yōu)勢

通過將高電壓電阻器集成到我們的隔離式電壓檢測器件中，無需使用大型電阻梯。我們還通過校準(zhǔn) AMC0380D04-Q1、AMC0381D10-Q1 和 AMC038610-Q1 的內(nèi)部電阻器的增益誤差，避免了系統(tǒng)級校準(zhǔn)，這可以節(jié)省制造時間和成本。

這些器件還有助于提高精度，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率。與分立式電阻器相比，集成分壓器具有非常低的溫度漂移和使用壽命漂移，可實(shí)現(xiàn)低于 1% 的電壓測量精度。

單端輸出器件

在使用 AMC1311 等業(yè)界通用隔離式放大器設(shè)計隔離式電壓檢測電路時，一個常見挑戰(zhàn)是將隔離式放大器的差分輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，以直接連接微控制器 (MCU) 內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。這可能成本高昂，并會占用額外的 PCB 空間。

為了節(jié)省布板空間，AMC0311R-Q1、AMC0311S-Q1、AMC0330R-Q1 和 AMC0330S-Q1 器件無需使用差分轉(zhuǎn)單端電路（通常由運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓組成），從而有助于節(jié)省系統(tǒng)級成本并縮減解決方案尺寸（請參閱圖 3）。

圖 3：傳統(tǒng)的隔離式電壓檢測拓?fù)?/p>

圖 4 展示了這些單端器件的引腳排列。

圖 4：差分轉(zhuǎn)單端運(yùn)算放大器的集成

除了 AMC0311R-Q1 和 AMC0330R-Q1 器件所帶來的布板空間節(jié)省外，它們的比例式輸出可實(shí)現(xiàn)可變輸出增益，從而通過隔離式電壓檢測器件提供輸出擺幅，該器件遵循 MCU 內(nèi)部 ADC 的基準(zhǔn)電壓，如圖 5 所示。這允許使用 ADC 的全動態(tài)范圍來提高分辨率測量值。

圖 5：比例輸出隔離式電壓檢測

集成隔離式電壓檢測用例

圖 6展示了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?。對于交流電壓檢測，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0380D04-Q1（綠色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0330D-Q1、AMC0330S-Q1 或 AMC0330R-Q1（黃色矩形）。

對于直流電壓檢測，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0381D10-Q1 和 AMC0386M10-Q1（藍(lán)色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0311D-Q1、AMC0311S-Q1 或 AMC0311R-Q1（紅色矩形）。

圖 6：功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中的隔離式電壓檢測

圖 7展示了電機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)洹τ诮涣麟妷簷z測，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0380D04-Q1（綠色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0330D-Q1、AMC0330S-Q1 或 AMC0330R-Q1（黃色矩形）。

對于直流電壓檢測，您可以在不使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0381D10-Q1 和 AMC0386M10-Q1（藍(lán)色矩形），也可以在使用外部高壓電阻器的情況下使用 AMC0311D-Q1、AMC0311S-Q1 或 AMC0311R-Q1（紅色矩形）。

圖 2：電機(jī)控制應(yīng)用中的隔離式電壓檢測

結(jié)語

在當(dāng)今市場，小型、高效、精確且具有成本效益的功率轉(zhuǎn)換器和電機(jī)控制器是大勢所趨。用于交流電壓檢測的 AMC0380D04-Q1、AMC0386M10-Q1、AMC0330D-Q1、AMC0330S-Q1 和 AMC0330R-Q1 器件以及用于直流電壓檢測的 AMC0381D-Q1、AMC038610-Q1、AMC0311D-Q1、AMC0311S-Q1 和 AMC0311R-Q1 器件可應(yīng)對設(shè)計挑戰(zhàn)，幫助實(shí)現(xiàn)未來凈零排放的目標(biāo)。