电机驱动论坛热点问答:防止电气过应力的3种方法

有句话说得好,伟大的工程师不仅仅发现问题,他们更能够解决问题。

在我为这个系列所撰写与热点问答有关的上一篇博文中,我曾经解释了什么是电气过应力 (EOS),它是如何影响集成电路 (IC) 组件的,以及电机驱动系统(根据上面提到的内容,这就是“问题”所在)中几个常见的EOS源。我的一个同事已经介绍了电源泵送,一个常见的EOS源。不过,你可以采取哪些步骤来防止EOS呢(有什么“解决方案”)?在这篇博文中,我将介绍几种系统设计人员能够用来防止EOS或保护电机驱动系统内的器件不受EOS影响的更加常见的方法。

设计时打出裕量

在不对保护机制和器件进行深入、详尽研究的情况下,其中一个最常见的方法就是设计一个具有足够运行裕量的系统。

我将在这里给出一个示例。一个AC/DC转换器为一个简单的有刷直流电机驱动系统生成24V电源。DRV8701 H桥栅极驱动器和CSD18509Q5B功率MOSFET驱动一个有刷直流电机,并且由24V直接供电。

在理想情况下,24V电源的供电电压就是24V。在真实使用环境中,由于不同负载条件、电机的寄生效应和再生电流,这个24V电压将会发生变化。对于电源电压变化的理解能够使你选择具有合适电压额定值的组件。在电机驱动系统中,为组件额定值留出2倍的裕量是很常见的。在图1中,DRV8701支持高达45V电压,而CSD18509Q5B支持的电压高达40V,以耐受电源电压的变化和瞬态。

1:有刷直流电机驱动系统

使用大容量电容器

另外还有一个常见的方法,我称之为“万能的”大容量电容器。这个方法可以像它听起来这么简单,或者很复杂,需要用不同的大电容器尺寸定制来生成一个细节仿真,以解决寄生效应和电机响应。大容量陶瓷或电解(大型)电容器提供一个本地电荷库。大容量电容器使得系统能够提供负载阶跃中所需的电荷,或者在电机再生期间对外提供所产生的电荷,而又不会产生过多的电压瞬变。图2是一个本地大容量电容器。

2:具有大电容值的系统

在几乎所有的电机驱动系统中,都会用到一定数量的大电容值,当然,电容器的尺寸取决于特定的系统。其中的某些决定因素有:

  • 电机系统所需的最高电流。
  • 电源的电容值和供电能力。
  • 电源与电机系统之间的寄生电感数量。
  • 可以接受的电压纹波。
  • 所使用的电机类型(有刷直流、无刷直流和步进电机)。
  • 电机制动方式。

添加瞬态电压抑制器

如果之前的两个方法仍然不能提供对于EOS的足够保护,那么瞬变电压抑制器 (TVS) 就是下一个经常用到的保护机制。TVS二极管的工作方式为,在电感电压超过TVS的击穿电压时分流过多的电流。当过压情况消失时,TVS将自动复位。有必要了解TVS的几个重要参数,其中包括:

  • 泄露电流:器件关闭时传导的电流。
  • 击穿电压:当传导的电量很大时发生。
  • 钳位电压:当器件将传导满额定值电流时。
  • 功率额定值:器件能够安全传导的电能数量。

你还应该知道器件的寄生电容和电感,这两个值有可能会限制其有效性。

3:TVS保护机制

TVS保护机制的某些常见缺点与其尺寸和成本有关。TVS的尺寸与电压瞬态期间必须从系统中消除的电量直接相关。

这些只是某些比较常见的防止EOS的方法;还有很多其它的方法。如果你也有EOS解决方案,或是想要分享这方面的经验,或者你想在未来的博客中看到哪些话题,请在下方留言。如果你有问题,你可以在E2E™ 社区电机驱动论坛内搜索答案,或者询问我们的电机应用团队。

原文链接:

http://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2015/12/21/motor-drive-forum-top-faqs-3-methods-to-prevent-electrical-overstress

  • 使用大容量电容器来抑制电压的过应力应该说是一个比较传统比较通用的办法,简单而有效。原理也好理解,CU=Q,就是U=Q/C,要使电容的电压上升就要对电容进行电荷充电,而大容量电容需要大量电荷,故而能够储存这部分能量而产生较小的电压。以我自己的一点经验来看,使用电容虽好,但是有几个需要注意的地方,首先使用大容量电容势必增大体积和成本,尤其是高压电容,价钱指数上升,这样对工程压力很大。而且电容的放置位置和所处回路需要注意,理想的电容只是无功转换,但是实际的电容有ESR和泄露电容等各种寄生参数,有可能极大影响效率。而且对于大容量电容器来说一般使用电解电容,电解电容只能加直流电,而且等效串联电阻较大,在充放电的时候不仅消耗能量而且会加大电压纹波,使得抑制效果削减,对应的办法是选用低ESR的产品,当然这也会增大成本支出。那么只能采用多个并联的方法,电容并联容值相加,电阻并联阻值减小,可以起到一定效果。

  • 学习防治EOS的三种常用方法:

    1,选择两倍裕量的驱动功率器件,

    2,选用大容量的电容,注意六因素。

    3,增加TVS保护器件,注意四参数。

  • 如果用DRV8701 H桥栅极驱动器和CSD18509Q5B功率管组合的话那么电机驱动电路就会简单很多不论是设计还是生产都会简单起来

  • 有效防止电气过应力方法

    设计时打出裕量

    在不对保护机制和器件进行深入、详尽研究的情况下,其中一个最常见的方法就是设计一个具有足够运行裕量的系统。

    使用大容量电容器

    另外还有一个常见的方法,我称之为“万能的”大容量电容器。这个方法可以像它听起来这么简单,或者很复杂,需要用不同的大电容器尺寸定制来生成一个细节仿真,以解决寄生效应和电机响应。大容量陶瓷或电解(大型)电容器提供一个本地电荷库。大容量电容器使得系统能够提供负载阶跃中所需的电荷,或者在电机再生期间对外提供所产生的电荷,而又不会产生过多的电压瞬变。图2是一个本地大容量电容器。

    添加瞬态电压抑制器

    如果之前的两个方法仍然不能提供对于EOS的足够保护,那么瞬变电压抑制器 (TVS) 就是下一个经常用到的保护机制。TVS二极管的工作方式为,在电感电压超过TVS的击穿电压时分流过多的电流。当过压情况消失时,TVS将自动复位。有必要了解TVS的几个重要参数,其中包括:

    泄露电流:器件关闭时传导的电流。

    击穿电压:当传导的电量很大时发生。

    钳位电压:当器件将传导满额定值电流时。

    功率额定值:器件能够安全传导的电能数量。

    你还应该知道器件的寄生电容和电感,这两个值有可能会限制其有效性。

  • 已经完成的一个项目,上述三种方法都使用了,驱动功率器件加大余量,选用大容量的电容而且是并联,增加TVS保护器件,保护器件一定要选择功率足够的,如果选择的不合适,会造成TVS损害,造成短路,使用的时候要小心。

  • 电机启动的应力尤为巨大,防止电气过应力是十分重要的环节,有很多方法,器件留出足够的裕量、处理好应力吸收回路,都是重要的方法;其中应力吸收还应该要注意温度的问题

  • 通过本博文学习了解了防止电气过应力的三种方法:

    一、设计时打出裕量

    其方法就是设计一个具有足够运行裕量的系统。例如在电机驱动系统中,为组件额定值留出2倍的裕量,以耐受电源电压的变化和瞬态。

    二、使用大容量电容器

    这是一个比较常见的方法。大容量陶瓷或电解(大型)电容器提供一个本地电荷库,使系统能够提供负载阶跃中所需的电荷,或者在电机再生期间对外提供所产生的电荷,而又不会产生过多的电压瞬变。其选取的一些决定因素有:

    a、电机系统所需的最高电流;

    b、电源的电容值和供电能力;

    c、电源与电机系统之间的寄生电感数量;

    d、可以接受的电压纹波;

    e、所使用的电机类型(有刷直流、无刷直流和步进电机);

    f、电机制动方式。

    三、添加瞬态电压抑制器

    瞬变电压抑制器 (TVS) 也是一个经常用到的保护机制。TVS二极管的工作方式为,在电感电压超过TVS的击穿电压时分流过多的电流。当过压情况消失时,TVS将自动复位。其中TVS的几个重要参数中包括:

    a、泄露电流:器件关闭时传导的电流。

    b、击穿电压:当传导的电量很大时发生。

    c、钳位电压:当器件将传导满额定值电流时。

    d、功率额定值:器件能够安全传导的电能数量。

  • EOS是一种半导体器件常见失效模式,其主导失效原因为过温损伤。主要包括以下几种失效:ESD静电击穿,高压静电击穿后局部过热,造成热损伤;过压,击穿后泄露电流过大,造成雪崩,热负荷过大损伤;过流,超过载流量,引起过温损伤;过热,温升过高,超过结温。电过应力损伤基本就这么多吧!

    通过显微观测基本可以判断出EOS,但ESD与其他的区分有时还是无法区别的,ESD是小而多的散点,过压一般是一个大点,其他的是一片。但是很多是先ESD,击穿后过温,烧了一片。

  • 防止电气过应力的3种方法

    1. 加大裕量; 2. 加大电容; 3. 吸收保护.

    不过在我看来, 仅仅这些还是很基础和很片面的.

       加大裕量. 这个通常都在使用, 但是对于功率器件都会明显提高控制器的成本, 实际应用中, 电压裕量加倍比较常见, 但电流往往做不到, 很多设计裕量可能不到 30% (针对峰值功率).

      加大电容也都采用, 只是未必使用大电解. 原因有二: 电解高温耐受差, 寿命短. 所以在成本限制和常温运行的电机驱动器, 大都采用大电解. 而对于要求较高温度运行的, 则采用性能更高的薄膜电容器.

     而吸收保护不一定在控制器里都会使用. 对于瞬态的脉冲, TVS 确实有很好的效果, 但是再生能量, 对于不同的系统, 往往能量非常大, TVS 根本无法抵挡, 所以在较大功率的电机控制器, 你可能不会见到 TVS.

       事实上, 大功率的电机控制器的设计中, 还有很多的保护措施来防止这个 EOS 问题, 总体可以分为两种手段, 硬件措施和软件措施. 相辅相成.

      比如电机的电流, 由于电机线圈是个电感, 电流不会突变, 电流过载是可以提前判断出来的 (除非是短路电流).

      对于再生能量, 吸收未必是个好办法, 让他不产生才是个更好的办法, 控制器可以通过一些软件的控制方法, 来减少再生能量的产生. 我觉得 TI 公司 作为电机控制行业里的领导者, 可以介绍一些这些方面的资料, 让大家学习和提高.

  • 通过对本博文的阅读让我了解到防止电气过应力的三种方法:1、在设计师应有足够的运行裕量;2、使用大容量电容器;3、添加瞬态电压抑制器。对于TVS器件要注意如下参数:截止电压、击穿电压、脉冲峰值电流、最大钳位电压、极间电容、稳态功率、脉冲峰值功率。这些参数对于选取TVS器件非常重要,TVS管的选型原则如下:

    1.确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电,应计算出最大值。

    2.若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时,应当选用双极性的,否则可选用单极性。直流保护一般选用单向TVS二极管,交流保护一般选用双向TVS二极管,多路保护选用TVS阵列器件,大功率保护选用TVS专用保护模块。特殊情况,如:RS-485和RS-23保护可选用双向TVS二极管或TVS阵列。

    3.选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计,否则TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态,器件面临被损坏的危险,从而影响电路的工作。

    4.所选TVS的最大箝位电压(VC)应低于被保护电路所允许的最大承受电压。

    5.如果知道比较准确的浪涌电流IPP,则可利用VC*Ipp来确定功率;如果无法确定IPP的大致范围,则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。

    6.TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,不然有可能损坏TVS。

    7.在确定了TVS的最大箝位电压VC后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

    8. 电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据/信号频率越高的回路,二极管的电容对电路的干扰越大,形成噪声或衰减信号强度也大,因此,需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS,电容不大于3 pF),而对电容要求不高的回路,电容的容量选择可高于40 pF。

    9.为了满足IEC61000-4-2国际标准,TVS二极管必须达到可以处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击,有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用,设计者可以按需要挑选器件。

  • 首先谈一下产生电气过应力的原因:

    1. 静电放电;

    2. 过驱动;

    3. 瞬态过电流事件;

    如何来防护发生电气过应力现象:

    1. 放置合适的保护器件,根据不同的参数需求来选择合适的器件;

    2. 提供合适的电源;

    3. 优化设计。

  •        这里给出的电气过应力的预防和解决办法分别是1、设计时保留足够的余量;2、使用大容量的电容器;3、添加TVS。

           对于第一条。文中也说了,是“在不对保护机制和器件进行深入、详尽研究的情况下,其中一个最常见的方法就是设计一个具有足够运行裕量的系统”,那么,如果在对保护机制和器件深入的进行研究之后,这个裕量又当如何设计呢?希望能有下一篇指导。

           关于第二条,yanping ke已经提出了一些实际设计中会遇到的成本和设计位置问题。感觉是很不错的补充。

           第三条,这里补充下TVS的工作过程。当TVS管的两端经受瞬间的大能量冲击时,它能以极快的速度(10的-12次方秒左右)使其阻抗骤然下降,同时吸收一个大电流,将其两端的电压钳位在一个预定的数值上。

           另外,看到很多文章在讲EOS时,都会提到ESD也是造成EOS的一个重要的原因,不过上一篇讲EOS的文章却没有提及ESD,不知道是不是准备单独一篇文章讲。