[FAQ] [参考译文] [FAQ]如何通过低侧电流分流测量来提高 SiC 或 GaN 开关的功能安全性、从而更快地检测过流故障？

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1256612/faq-how-do-i-detect-over-current-fault-more-quickly-with-low-side-current-shunt-measurement-for-the-function-safety-of-sic-or-gan-switches

作者：Charles Barsh

汽车电气化程度正在迅速提高、而且随着电气化的发展、这些车辆中集成了更加先进的系统。 这些电动汽车包含易受过流情况影响的敏感 GaN 和 SiC 开关。 因此、需要实施电流监测电路、该电路必须对峰值过流情况做出反应、在许多情况下、在不到1 µs 的时间内关断、以防止开关损坏。 如图1所示、使用基于高速放大器和比较器的电流并联监控电路具有优势、因为它们可以确保延迟时间最短。

图1：典型电流检测电路

什么是高速放大器、为什么应该使用它？

电路的传播延迟因所选元件的不同而存在显著差异。 例如、如果直流/直流转换器使用平均电流控制进行功率因数校正、则可以使用速度较慢的放大器。 但是、如果需要检测峰值电流、或者系统需要在不到1 µs 的时间内做出反应并关断、则需要使用高带宽放大器。 在图2中、峰值检测和平均值检测的电流波形叠加。 使用更高带宽放大器进行峰值检测的原因是、瞬态电流尖峰的发生非常快-在测量平均电流时、这些尖峰不会被检测到。

图2：平均电流与峰值电流波形

车载充电器、直流/直流转换器和牵引逆变器的新型实施充分利用了 氮化镓和碳化硅 开关带来的更低功耗和更快的开关频率。 许多 GaN 开关易受电流尖峰故障的影响、该尖峰的持续时间比1 µs 短。 在下面的图3中、比较了10 MHz 和50 MHz 运算放大器的上升时间、表明高带宽50 MHz 运算放大器通过0.8 µs 降低了传播延迟。 这样就有足够的时间检测和响应过流情况。

图3：10 MHz 理想上升时间与50 MHz 理想上升时间

为了在不到1 µs 的时间内实现检测和关断、我们可以将总响应时间的35%分配给放大级。 如果放大器需要1V/V 的增益、则放大器所需的带宽将为1 MHz；但是、大多数基于分流器的电流监控电路都需要50V/V 范围内的增益来降低分流电阻器的功耗。 要实现这一级别的增益、需要一个50 MHz 最低的放大器、如下面的计算中所示。  

*注意: 0.35是用于近似计算带宽的常数值。 这与电容器从10%充电至90%所需的时间有关。 请 在此处观看 TI 高精度实验室有关压摆率的视频 、了解更多详细信息。  

TI 提供各种放大器、以满足不同的系统要求。 下面的图4显示了几个放大器上升时间的比较图。

图4：多个 TI 放大器的上升时间

为了以更低的成本实现相同的放大效果、一些设计人员会选择级联两个或更多具有不同放大级的低带宽放大器。 使用多个较低带宽放大器会增加传播延迟、并且需要在其电路板上留出更多空间。 高带宽放大器过去被视为更昂贵的替代产品、但是凭借德州仪器(TI)现代化的制造能力、这些较新的器件的价格更具竞争力、并且与使用多个较低带宽放大器相当。

单分流器与多分流器电流检测

减小布板空间和潜在降低成本的另一种方法是实施单一分流器、而不是在系统中使用多个分流器。 对于进行多次平均电流测量的系统、利用更高带宽的放大器并将这些测量绑定在一起可减少所需的放大器数量。 然而、在某些情况下、需要采用多分流器配置。 例如、如果需要测量三相牵引逆变器中的各个电流相位、则应实施多个高带宽放大器以更快地测量峰值电流。 单分流牵引逆变器和多分流牵引逆变器的典型设置如下图5和6所示。

图5：单分流器实现；三个相位连接在一起

图6：多分流电阻实现；每个相电流 分别测量

结论

检测和响应1 µs 中电动汽车的过流情况变得越来越重要、因为这些系统中实现了更高效的 GaN 和 SiC 开关。 在设计系统时、选择合适的放大器有助于节省布板空间和成本并减少延迟时间。 查看德州仪器广泛的符合汽车标准的高速放大器产品系列、其中包含各种带宽和精度。