Come rispondere alle crescenti esigenze di rilevamento dei guasti nei sistemi ad alta potenza

Autore: Krunal Maniar, Automotive Business Development Manager, Analog-to-digital Converters, Texas Instruments

I meccanismi di rilevamento dei guasti sono necessari nei sistemi industriali ad alta potenza come gli azionamenti motore e gli inverter fotovoltaici, nonché nei sistemi automobilistici come i caricabatterie per veicoli elettrici (EV), gli inverter di trazione, i caricabatterie di bordo e i  convertitori CC/CC.

Il rilevamento dei guasti prevede misurazioni di corrente, tensione e temperatura per diagnosticare eventuali fluttuazioni sulla linea di alimentazione in CA e sovraccarichi meccanici o elettrici all’interno del sistema. In caso di rilevamento di un guasto, il microcontroller host (MCU) provvede a misure 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 passando dai transistor bipolari a gate isolati (IGBT) ai transistor di commutazione al carburo di silicio (SiC) e al nitruro di gallio (GaN) ad ampio bandgap, che consentono di raggiungere velocità di commutazione più elevate (>100 kHz ) con tempi di tenuta ancora più brevi (<5 µs).

La protezione dei transistor di commutazione di potenza dalle condizioni di guasto parte dal rilevamento delle condizioni di sovracorrente, utilizzando soluzioni basate su shunt o effetto Hall. Le soluzioni basate sull’effetto Hall permettono un approccio a modulo singolo, ma scontano una scarsa precisione di misurazione, soprattutto in caso di sovratemperatura. Altri aspetti da considerare nella scelta tra soluzioni basate su shunt o su effetto Hall sono le specifiche di isolamento e la resistenza del conduttore primario. La resistenza del conduttore primario in una soluzione basata su effetto Hall potrebbe portare alla stessa dissipazione termica di una soluzione basata su shunt; tuttavia, dati i miglioramenti nella tecnologia a shunt, gli shunt sono ora dotati di resistenze molto più piccole in modo da ridurre al minimo la dissipazione termica e offrono quindi una precisione molto elevata a diverse temperature e per l’intera durata.

Diamo un’occhiata ai diversi metodi di rilevamento dei guasti basati su shunt.

I comparatori isolati più piccoli del settore

La gamma AMC23C12 offre un rilevamento accurato e isolato di sovracorrente, sovratensione e sovratemperatura.

Utilizzo di amplificatori isolati

La Figura 1 mostra una soluzione per il rilevamento della sovracorrente basata su shunt con un amplificatore isolato e un comparatore non isolato. È possibile utilizzare lo stesso amplificatore isolato per il controllo del feedback, se necessario. La MCU riceve l’uscita dal comparatore e invia segnali per il controllo del pin di abilitazione del driver del gate o per alterare il ciclo di modulazione di larghezza di impulso che raggiunge l’ingresso del driver del gate.

Figura 1: Rilevamento dei guasti con un amplificatore isolato e un comparatore non isolato 

Un approccio basato su shunt con un amplificatore isolato offre un’elevata precisione di misurazione sia per il rilevamento dei guasti che per il controllo del feedback. L’amplificatore isolato offre un isolamento di base o rinforzato.

Tuttavia, l’amplificatore isolato presenta un ritardo di propagazione fra 2 e 3 µs. A seconda dei requisiti di latenza del rilevamento di sovracorrente, un metodo basato su amplificatore isolato potrebbe non essere abbastanza veloce.

Utilizzo di modulatori isolati

Come mostrato nella Figura 2, è possibile utilizzare un modulatore isolato per il rilevamento di sovracorrente e per il controllo del feedback simultaneamente. L’uscita dati isolata (DOUT) di un modulatore isolato fornisce un flusso di bit digitale composto da uno e zero a una frequenza molto più alta. La media temporale di questa uscita a flusso di bit è proporzionale alla tensione di ingresso analogica; i filtri digitali all’interno della MCU ricostruiscono il segnale misurato. La MCU può disporre di più filtri digitali che lavorano in parallelo utilizzando la stessa uscita a flusso di bit: uno dei filtri digitali è configurato per il controllo del feedback ad alta precisione, mentre l’altro è configurato per il rilevamento di sovracorrente a bassa latenza.

Figura 2: Rilevamento dei guasti con modulatore isolato

Un metodo basato su shunt con un modulatore isolato offre una precisione di misurazione ancora migliore sia per il rilevamento dei guasti che per il controllo del feedback rispetto a un amplificatore isolato. Nel caso peggiore, il ritardo di propagazione per il rilevamento di sovracorrente può arrivare a 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 della sovracorrente, con un amplificatore o modulatore isolato utilizzato per il controllo del feedback. Nel caso peggiore, il ritardo di propagazione per il rilevamento della sovracorrente può essere inferiore a 1 µs, a seconda dei comparatori e degli isolatori digitali scelti. Tuttavia, un’implementazione discreta occupa più spazio sul circuito stampato (PCB) e può risultare costosa per quei progetti che richiedono una maggiore precisione.

Figura 3: Rilevamento dei guasti con comparatori standard e isolatori digitali

Utilizzo di comparatori isolati

Il comparatore isolato mostrato nella Figura 4 offre un metodo di piccole dimensioni ed estremamente veloce per rilevare la sovracorrente integrando le funzioni di un comparatore standard e di un isolatore digitale. È possibile utilizzare un amplificatore isolato o un modulatore isolato per il controllo del feedback.

Figura 4: Rilevamento dei guasti con comparatori isolati

I comparatori isolati come l’AMC23C12 offrono una soluzione economica e di piccole dimensioni per il rilevamento dei guasti. Questi dispositivi presentano una latenza molto bassa (<400 ns), che consente un rilevamento estremamente veloce della sovracorrente. L’AMC23C12 integra un regolatore a basso dropout con ampio intervallo di ingresso (da 3 V a 27 V) per l’alimentazione dell’high-side, un comparatore a finestra singola e una barriera a isolamento galvanico, consentendo quindi di ridurre la superficie del circuito stampato fino al 50% e limitare la distinta base rispetto a un’implementazione discreta. Con una soglia di intervento regolabile e una precisione pari, nel caso peggiore, a <3%, la gamma AMC23C12 soddisfa le crescenti esigenze di rilevamento di sovracorrente, sovratensione, sovratemperatura, sottotensione e sottocorrente.

La Tabella 1 confronta vari metodi di rilevamento dei guasti basati su shunt.

Parametro Amplificatori isolati Modulatori isolati Implementazione discreta Comparatori isolati
Latenza Scarsa Adeguata Adeguata Eccellente
Precisione Eccellente Eccellente Adeguata Eccellente
Dimensioni Scarse Adeguate Scarse Eccellenti
Costo Scarso Scarso Scarso Eccellente
Isolamento Eccellente Eccellente Eccellente Eccellente 

Tabella 1: Confronto dei metodi di rilevamento della sovracorrente basati su shunt

Con l’aumento della domanda di migliorie della resilienza del sistema e l’adozione di transistor di commutazione più veloci, come quelli con tecnologia SiC e GaN, diventa sempre più importante la necessità di un rilevamento dei guasti rapido e preciso. La gamma di comparatori isolati AMC23C12 rileva rapidamente svariati eventi di guasto, aiutando i progettisti a sviluppare sistemi ad alta tensione sempre più tolleranti ai guasti.

Risorse supplementari

Date un’occhiata agli amplificatori e modulatori isolati di TI.

Leggete l’articolo sull’Analog Design Journal «Utilizzo di comparatori isolati per rilevamento dei guasti da sovracorrente e sovratensione in azionamenti di motori elettrici».

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