在汽车和工业终端设备，如电机驱动器、串式逆变器以及车载充电器等，通常在高电压环境下运行。然而，人体直接接触高电压会带来严重危险。此时，隔离式电压测量就发挥了关键作用，它不仅有助于优化设备运行，还能保护人员安全，避免其接触到执行特定功能的高压电路。
隔离式放大器专为实现高性能而设计，其主要功能是跨隔离栅传输电压测量数据。在选择隔离式放大器时，需要综合考虑多个标准，包括隔离规格、输入电压范围、精度要求以及高压侧供电方式，而高压侧供电方式往往受应用的测量位置影响。
本文将通过详细阐述如何评估交流电机驱动器终端设备中三种常见的电压测量过程，为选择合适的隔离式放大器提供清晰的指导。
首先是隔离规格要求。德州仪器（TI）的隔离式放大器和调制器通常依据器件级标准进行，如德国标准化协会（DIN）、德国电气工程师协会（VDE）0884 - 17、DIN 欧洲标准（EN）国际电工委员会（IEC）60747 - 17 和美国保险商实验室（UL）1577，被列入基础型或增强型隔离等级。
输入电压范围、精度要求和高压侧供电方式的选择则取决于应用中电压节点的测量位置。图 1 展示了交流电机驱动器的简化方框图，其中包含用于电压测量的三个常用位置：左侧为交流电源，中间是直流链路，右侧是电机相位。隔离式放大器因其高精度和易用性，非常适合用于这类测量。
- 交流电源测量：如图 1 左侧所示，交流电源输入通常作为三相中心接地电源系统，在美国其电压为 120VRMS/208VRMS，在欧洲为 230VRMS/400VRMS。此电压测量对精度的要求通常不高，甚至并非必需。若要测量交流电源，可考虑具有双极高阻抗输入的器件，如 TI 的 AMC1350 或 AMC3330。当相对于中性点电压测量三相交流电压时，可将单个隔离式电源用于执行测量的所有三个隔离式放大器。而在相间测量三相交流电压时，带有集成直流 / 直流转换器的器件，如 AMC3330，能简化设计。图 2 展示了相应的 AMC3330 电路图。
- 直流链路电压测量：为了计算电机驱动器中的脉宽调制（PWM）占空比，通常需要测量图 1 中间的直流链路电压，且精度需达到 1% 或更高。在制动操作期间，直流链路电压会增加，此时需要主动限制该电压，以保护功率级，例如通过启用再生制动来实现。低延迟测量能够更快地响应过压事件，使系统在更接近其硬件极限的情况下运行，从而实现更严格的设计裕量和更低的系统成本。直流链路电容通常为几百 μF，在维修设备前，为确定直流链路电容是否已适当放电至安全水平，需要在低电压（<100V）下进行准确测量。此外，高分辨率交流纹波测量可以检测连接的交流电源中的相位检测损耗，可能无需进行单独的电网侧相位测量。纹波电压的频率在 60Hz 三相电源电压下为 360Hz，在 50Hz 三相电源电压下为 300Hz。在低负载（电机未旋转）时，纹波电压幅度较低，此时可能需要使用调制器进行超高分辨率测量。具有单极输入范围的隔离式放大器，如 TI 的 AMC1351（0 到 5V 输入范围）或 AMC1311（0 到 2V 输入范围），专为直流链路电压测量而设计。它们需要以 DC - 为基准的本地电源为高压侧供电，如图 3 所示的隔离式变压器电路。另一种选择是使用带有集成直流 / 直流转换器的器件，如 AMC3330。
- 电机相位电压测量：基于直流链路测量和 PWM 占空比来直接测量实际相电压，而非进行估计，能够进一步提升无传感器交流电机驱动器的性能。一种测量方法是使用三个单极输入隔离式放大器和单个隔离式电源，测量相对于 DC - 轨的所有三个相位。为了节省硬件成本，也可以仅测量两个相间电压并计算第三个电压。这种方法仅需要两个具有双极输入范围的隔离式放大器，并能减少固件侧的额外工作。两次测量相对于其中一个相电压进行，这需要通过顶部绝缘栅双极晶体管（IGBT）的高侧栅极驱动器浮动电源为隔离式放大器供电，如图 4 所示。带有内部直流 / 直流转换器的器件（如 AMC3330）可以大大简化电路，节省空间并提高系统效率。
在进行每种电压测量时，电阻分压器必须降低高压节点的电压，以匹配隔离式放大器的输入范围。然而，在设计电阻分压器电路时，存在三种常见挑战：
- 从隔离式放大器流向检测电阻的输入偏置电流会产生失调电压误差。
- 检测电阻与隔离式放大器的输入阻抗并联，会降低有效检测电阻并产生增益误差。此外，隔离式放大器的输入阻抗由于工艺变化，在器件之间会有 ±20% 的偏差，如果未加以说明，会表现为增益误差。
- 电阻分压器和隔离式放大器的输入阻抗都存在温漂。
从 TI 的隔离式电压检测放大器系列中选择具有高输入阻抗且输入偏置电流可忽略不计的器件，可以显著减少应对上述挑战所需的工作量。不过，即使是具有输入偏置电流的低输入阻抗隔离式放大器，也可以用于设计高精度电压测量电路。
具有较宽输入范围的隔离式放大器对输入噪声的敏感度较低，在低输入电平下可提供较高精度。然而，输入电压较高的器件通常具有较低的输入阻抗，并且需要进行增益校准才能达到较高的精度水平。高阻抗输入器件则能提供较高的未校准精度，并减少设计工作量。
