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作者：德州儀器 隨著汽車和工業應用領域對獲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換器和電機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，并且電壓變得越來越高。直流電壓從 400VDC 增加到 800VDC，甚至高達 1,500VDC。消費者的經濟承受能力也變得越來越重要，尺寸優化正在推動更大規模的創新。因此，迫切需要能滿足當今要求的精密、尺寸優化、電隔離電壓檢測器件。 汽車制造商每年都會提出研發電動汽車 (EV) 的目標，期望實現更長的行駛里程（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/直流轉換器和電池管理系統中提供低于 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電壓，從而更大限度地提高電網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動器來確保運行安全。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，從而幫助設計人員通過更節能的設計縮短產品上市時間。 在智能能源基礎設施中，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現高精度電壓測量，精度誤差小于 1%，從而實現更精確的電力輸送和更低的功率耗散。效率提高后，節省下來的成本就有可能讓消費者獲益。能源基礎設施應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電壓，這對于功率轉換器非常重要，因為需要了解每個電壓之間的相位差才能執行功率因數校正。在逆變器模式下，隔離式電壓傳感器為負載和/或電網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設施中進行隔離式電壓檢測的示例。 
圖 1：電動汽車和能源基礎設施系統中的隔離式電壓檢測 在當今的電機控制應用（包括工業電機驅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 可以實現更高效的直流測量，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控制應用中的挑戰。 高壓檢測解決方案 德州儀器正大力開發產品，幫助應對市場挑戰并實現更高效、更具成本效益和更精確的功率轉換和電機控制系統。我們開發了兩種新的隔離式電壓檢測技術，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。獨立式高壓電阻器會占用 PCB 上的大量空間，因為可能需要多達 15 個高壓電阻器來降低電壓并保持系統的隔離等級。獨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。 在節約布板空間方面，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 輸入隔離調制器無需外部高壓電阻器，從而節省系統級成本并將解決方案尺寸縮減多達 50%，如圖 2 所示。
圖 2：集成電阻器系列的集成優勢 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 AMC0380D04-Q1、AMC0381D10-Q1 和 AMC038610-Q1 的內部電阻器的增益誤差，避免了系統級校準，這可以節省制造時間和成本。 這些器件還有助于提高精度，進而提高系統效率。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，可實現低于 1% 的電壓測量精度。 單端輸出器件 在使用 AMC1311 等業界通用隔離式放大器設計隔離式電壓檢測電路時，一個常見挑戰是將隔離式放大器的差分輸出轉換為單端輸出，以直接連接微控制器 (MCU) 內的模數轉換器 (ADC)。這可能成本高昂，并會占用額外的 PCB 空間。 為了節省布板空間，AMC0311R-Q1、AMC0311S-Q1、AMC0330R-Q1 和 AMC0330S-Q1 器件無需使用差分轉單端電路（通常由運算放大器和基準電壓組成），從而有助于節省系統級成本并縮減解決方案尺寸（請參閱圖 3）。
圖 3：傳統的隔離式電壓檢測拓撲 圖 4 展示了這些單端器件的引腳排列。
圖 4：差分轉單端運算放大器的集成 除了 AMC0311R-Q1 和 AMC0330R-Q1 器件所帶來的布板空間節省外，它們的比例式輸出可實現可變輸出增益，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 內部 ADC 的基準電壓，如圖 5 所示。這允許使用 ADC 的全動態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 展示了功率轉換系統的標準拓撲。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：功率轉換應用中的隔離式電壓檢測 圖 7 展示了電機控制系統的標準拓撲。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 7：電機控制應用中的隔離式電壓檢測 結語 在當今市場，小型、高效、精確且具有成本效益的功率轉換器和電機控制器是大勢所趨。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 器件可應對設計挑戰，幫助實現未來凈零排放的目標。 |
