I meccanismi di rilevamento dei guasti sono una necessità nei sistemi industriali ad alta potenza, come gli azionamenti dei motori e gli inverter solari, nonché nei sistemi automobilistici, tra cui i caricabatterie dei veicoli elettrici (EV), gli inverter di trazione, i caricabatterie di bordo e i convertitori DC/DC.
Il rilevamento dei guasti prevede misure di corrente, tensione e temperatura per diagnosticare eventuali fluttuazioni della linea di alimentazione CA, sovraccarichi meccanici o elettrici all'interno del sistema. Al rilevamento di un evento di guasto, il microcontrollore host (MCU) esegue azioni di protezione come lo spegnimento o la modifica delle caratteristiche di commutazione dei transistor di potenza o l'intervento degli interruttori automatici.
Per aumentare l'efficienza e ridurre le dimensioni del sistema, i progettisti stanno abbandonando i transistor bipolari a porta isolata (IGBT) per passare ai transistor di commutazione al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN) ad ampio bandgap, che consentono velocità di commutazione più elevate (>100 kHz) con tempi di resistenza ancora più brevi (<5 µs).
La protezione dei transistor di commutazione di potenza dalle condizioni di guasto inizia con il rilevamento delle condizioni di sovracorrente, utilizzando soluzioni basate su shunt o su Hall. Sebbene le soluzioni basate su Hall consentano un approccio a modulo singolo, soffrono di una scarsa precisione di misura, soprattutto in base alla temperatura. Altre considerazioni per la scelta tra soluzioni shunt o Hall includono le specifiche di isolamento e la resistenza del conduttore primario. La resistenza del conduttore primario in una soluzione basata su Hall potrebbe portare alla stessa quantità di dissipazione termica di una soluzione basata su shunt; tuttavia, grazie ai miglioramenti della tecnologia degli shunt, questi ultimi sono ora dotati di resistenze molto più piccole per ridurre al minimo la dissipazione termica e offrono un'accuratezza molto elevata in termini di temperatura e durata.
Vediamo alcuni metodi di rilevamento dei guasti basati sullo shunt.
Utilizzo di amplificatori isolati
La Figura 1 mostra una soluzione di rilevamento delle sovracorrenti basata su shunt con un amplificatore isolato e un comparatore non isolato. Se necessario, è possibile utilizzare lo stesso amplificatore isolato per il controllo di retroazione. L'MCU riceve l'uscita dal comparatore e invia segnali per controllare il pin di abilitazione del gate driver o per modificare il ciclo di modulazione della larghezza degli impulsi che va all'ingresso del gate driver.
Un approccio basato su shunt con un amplificatore isolato offre un'elevata precisione di misura sia per il rilevamento dei guasti che per il controllo di retroazione. L'amplificatore isolato fornisce un isolamento di base o rinforzato.
Tuttavia, l'amplificatore isolato ha un ritardo di propagazione compreso tra 2 e 3 µs. A seconda dei requisiti di latenza del rilevamento delle sovracorrenti, un metodo basato sull'amplificatore isolato potrebbe non essere sufficientemente veloce.
Utilizzo di modulatori isolati
Come illustrato nella Figura 2, è possibile utilizzare un modulatore isolato per il rilevamento simultaneo delle sovracorrenti e il controllo di retroazione. L'uscita dati isolata (DOUT) di un modulatore isolato fornisce un flusso di bit digitale di uno e zero a una frequenza molto più elevata. La media temporale di questo flusso di bit in uscita è proporzionale alla tensione di ingresso analogica e i filtri digitali all'interno dell'MCU ricostruiscono il segnale misurato. L'MCU può avere più filtri digitali che funzionano in parallelo utilizzando lo stesso flusso di bit in uscita, con uno dei filtri digitali configurato per il controllo di retroazione ad alta precisione e un altro filtro digitale configurato per il rilevamento di sovracorrenti a bassa latenza.
Un metodo basato su shunt con un modulatore isolato offre una precisione di misura ancora migliore rispetto a un amplificatore isolato, sia per il rilevamento dei guasti che per il controllo di retroazione. Il ritardo di propagazione nel caso peggiore per il rilevamento delle sovracorrenti può essere di appena 1 µs.
Utilizzo di comparatori standard e isolatori digitali
La Figura 3 mostra un comparatore standard non isolato seguito da isolatori digitali per il rilevamento delle sovracorrenti, con un amplificatore o modulatore isolato utilizzato per il controllo di retroazione. Il ritardo di propagazione nel caso peggiore per il rilevamento delle sovracorrenti può essere inferiore a 1 µs, a seconda dei comparatori e degli isolatori digitali selezionati. Tuttavia, un'implementazione discreta occupa più spazio sui circuiti stampati (PCB) e può diventare costosa per i progetti che richiedono una maggiore precisione.
Utilizzo di comparatori isolati
Il comparatore isolato illustrato nella Figura 4 offre un metodo piccolo e ultraveloce per il rilevamento delle sovracorrenti, integrando le funzioni di un comparatore standard e di un isolatore digitale. Per il controllo di retroazione è possibile utilizzare un amplificatore o un modulatore isolato.
I comparatori isolati come l'AMC23C12 rappresentano una soluzione economica e di piccole dimensioni per il rilevamento dei guasti. Questi dispositivi hanno una latenza molto bassa (<400 ns), che consente un rilevamento ultraveloce delle sovracorrenti. L'AMC23C12 integra un regolatore ad ampio intervallo di ingresso (da 3 V a 27 V) a bassa caduta per l'alimentazione del lato alto, un comparatore a finestra singola e una barriera galvanica isolata, consentendo una riduzione dell'area del PCB fino al 50% e un conteggio inferiore della distinta materiali rispetto a un'implementazione discreta. Con una soglia di intervento regolabile e un'accuratezza nel caso peggiore di <3%, la famiglia AMC23C12 soddisfa le crescenti esigenze di rilevamento di sovracorrenti, sovratensioni, sovratemperature, sottotensioni e sottocorrenti.
La Tabella 1 mette a confronto diversi metodi di rilevamento dei guasti basati sullo shunt.
Con il proliferare della richiesta di migliorare la resilienza dei sistemi e l'adozione di transistor di commutazione più veloci, come SiC e GaN, la necessità di un rilevamento accurato e rapido dei guasti diventa ancora più prioritaria. La famiglia di comparatori isolati AMC23C12 rileva rapidamente vari eventi di guasto, aiutando i progettisti a sviluppare sistemi ad alta tensione ancora più tolleranti ai guasti.
Risorse aggiuntive
- Scoprite gli amplificatori e i modulatori isolati di TI.
- Leggete l'articolo dell'Analog Design Journal "Using isolated comparators for fault detection in electric motor drives".
