【導(dǎo)讀】IGBT作為變頻器中最昂貴的器件，極易因短路、過載和過電壓等情況而造成損壞，因此需要進(jìn)行充分的保護(hù)。本文將討論在高成本效益前提下，如何通過光隔離放大器來保護(hù)IGBT避免受到電流過高和過電壓等情況的影響，并列舉了一些錯誤的IGBT保護(hù)情況和問題。
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)需要充分的保護(hù)以避免短路、過載和過電壓等錯誤情況所造成的損壞和故障，這些保護(hù)是確保電機(jī)驅(qū)動以及太陽能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用安全穩(wěn)定電源轉(zhuǎn)換運(yùn)作的重要關(guān)鍵。要檢測過電流和過載情況，需要將快速響應(yīng)或快速錯誤反饋的隔離放大器應(yīng)用于輸出相位和直流母線電壓檢測上。本文將討論如何使用這類器件來保護(hù)IGBT避免受到電流過高和過電壓等情況的影響。
圖1a顯示了交流電機(jī)驅(qū)動電路中電源轉(zhuǎn)換的典型框圖，其中包含把直流母線電壓轉(zhuǎn)換為以不同頻率交流電源驅(qū)動電機(jī)的變頻器。IGBT為形成變頻器核心的功率開關(guān)，這些功率器件必須以高頻率運(yùn)行并能夠承受高電壓。
隔離放大器，如圖1b中的 ACPLC79A 可以和分流電阻一起工作，提供即使存在高開關(guān)噪聲情況下的電源轉(zhuǎn)換器精確電流測量。和電阻分壓器一起使用時，隔離放大器可以作為檢測直流母線電壓的精密電壓傳感器，其提供的電流和電壓信息由微控制器收集，并使用這些數(shù)據(jù)計算出反饋值以及有效控制和錯誤管理電源轉(zhuǎn)換器所需的輸出信號。
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錯誤保護(hù)要求
變頻器中IGBT是最昂貴的器件，因此必須盡可能提供保護(hù)。不過IGBT的保護(hù)必須以高成本效益方式進(jìn)行，市場持續(xù)尋求不會大幅度影響電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)總體成本，但能夠提供充分IGBT保護(hù)的產(chǎn)品。為了滿足這個需求，IGBT柵極驅(qū)動器，如ACPL-332J和帶有保護(hù)功能的電流傳感器產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)在市場上。這些產(chǎn)品提供實(shí)現(xiàn)IGBT保護(hù)的高成本效益方案，免去獨(dú)立檢測和反饋部件需求。本文的其他部分將聚焦于可由表1中所列出電流和電壓傳感器實(shí)現(xiàn)的部分錯誤保護(hù)功能。
IGBT過電流檢測
IGBT的過電流情況可能因相位間短路、接地短路或直通所引起，輸出相位和直流母線上的分流電阻加上隔離放大器電流感應(yīng)器件提供了電流測量外的錯誤檢測功能（見圖1）。典型的IGBT短路承受時間可以達(dá)到10μs，為了確保有效的保護(hù)，絕對不能超出這個限制。在有限時間內(nèi)錯誤必須被檢出，然后反饋給微控制器，并于時限內(nèi)完成關(guān)斷程序。要達(dá)到這個要求，隔離放大器可以使用不同的方法。
除了快速響應(yīng)時間外，ACPLC79A提供有±1%增益精確度，0.05%的卓越非線性和60dB的信噪比(SNR)。
ACPL-C79B則提供±0.5%的更高增益精確度，ACPL-C790的增益精確度為±3%。所有ACPL-C79A系列器件都通過1230Vpeak最高工作絕緣電壓認(rèn)證，并具備高達(dá)15kV/μs的共模瞬變噪聲抑制能力，這些功能通過尺寸比標(biāo)準(zhǔn)DIP-8封裝小30%的延展型SO-8封裝提供。
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另一個例子為HCPL-788J，使用了不同的方式達(dá)到過電流檢測的快速響應(yīng)（見圖3）。除了信號數(shù)輸出引腳外，它還提供了一個會在錯誤情況發(fā)生時快速由高電平變?yōu)榈碗娖降腇ault引腳指出過電流情況，這款隔離放大器提供±3%的測量精確度。
在錯誤反饋設(shè)計上，一個必須注意處理的問題是意外觸發(fā)，意外觸發(fā)為無明顯錯誤情況下產(chǎn)生的錯誤檢測觸發(fā)動作，可能會損壞IGBT。為了避免錯誤觸發(fā)，HCPL-788J采用脈沖鑒別電路來有效屏蔽電流(di/dt)和電壓(dv/dt)變化浪涌的影響。這個方法的好處是抑制能力不會受到振幅大小的影響，這代表了錯誤閾值可以設(shè)定在低上許多的水平而不會提高意外觸發(fā)的風(fēng)險。
要實(shí)現(xiàn)達(dá)成快速錯誤檢測的電路，錯誤檢測方塊中使用兩個比較器來檢測正向和負(fù)向閥值，開關(guān)切換閾值等于256mV的Sigma-Delta調(diào)制器參考。這些比較器的輸出連接到消隱期為2μs的消隱濾波器，再送到編碼器方塊。
為了確保錯誤狀態(tài)可以快速通過隔離屏障傳遞，使用兩個獨(dú)特的數(shù)字編碼序列代表錯誤情況，一個代表正向，一個代表負(fù)向。當(dāng)檢出錯誤情況時，光通道上正常的數(shù)據(jù)傳輸會被中斷，并以錯誤編碼序列位元流取代，這兩個錯誤碼在設(shè)計上和普通編碼方式顯著不同，因此檢測器端可以在錯誤發(fā)生時立即檢出。
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解碼器檢測并把錯誤情況通過隔離屏障傳送需要的時間大約在1μs，加上400ns的抗混疊濾波器延遲帶來約1.4μs的傳播延遲。由錯誤情況發(fā)生到錯誤信號輸出的總延遲時間為傳播延遲和消隱時間2μs的總合，帶來共3.4μs的總體錯誤檢測時間（見圖4）。
Fault錯誤輸出腳位允許多個器件的錯誤信號連接在一起，使得多個器件可以通過線與(wire-ORed)方式產(chǎn)生單一錯誤信號輸出（見圖5右上部分），之后這個信號可以通過控制器直接禁用PWM輸入。
IGBT過載檢測
過載情況為電機(jī)電流超過驅(qū)動額定電流大小，但未達(dá)到使變頻器或電機(jī)立即損壞危險的情況，如因軸承損壞造成的電機(jī)機(jī)械過載或電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
變頻器通常會在正常規(guī)格外加入過載規(guī)格，可允許的過載時間依溫度過熱真正造成影響的時間決定，典型的過載規(guī)格大約為處于正常負(fù)載的1.5倍達(dá)1分鐘時間長度。
ACPL-C79A可以接受±300mV全幅輸入，產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)據(jù)以±200mV正常輸入范圍為基準(zhǔn)，設(shè)計工程師擁有選擇兩個數(shù)據(jù)或之間過載閾值的靈活度。如果和正常工作電流比較，過載電流的測量精確度較不嚴(yán)格，而這正是普遍情況，那么把閾值設(shè)定在接近300mV為能夠使用完整隔離放大器動態(tài)范圍的良好選擇，然而把閾值設(shè)定在200mV則可以確保過載電流測量的精確度。決定電壓大小后，設(shè)計工程師必須依相對電流大小選擇合適的感應(yīng)電阻值。
HCPL-788J還包含一個額外功能，也就是ABSVAL輸出，可以用來簡化過載檢測電路。ABSVAL電路可以對輸出信號進(jìn)行整型，并依下列公式提供正比于輸入信號絕對值的輸出信號：ABSVAL=|VIN|×VREFEXT/252mV
輸出當(dāng)然也可以使用線與方式連接，當(dāng)結(jié)合3個正弦電機(jī)相位時，經(jīng)整流的輸出ABSVAL基本上是一個代表電機(jī)RMS電流的直流信號，這個直流信號和閾值比較器可以在電機(jī)或驅(qū)動電路受到傷害前指出過載情況（見圖5右下部分）。
IGBT過電壓檢測
直流母線電壓必須持續(xù)受到控制，在某些工作情況下，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)把高電壓通過變頻器的功率器件和恢復(fù)二圖5使用HCPL-788J并把錯誤檢測信號通過線與(wire-ORed)方式連接的連線圖極管送回到直流母線，這個高電壓會加到直流母線電壓上形成IGBT上的超高電壓浪涌，這個浪涌可能會超出IGBT的最大集電極到發(fā)射極電壓而造成損壞。
微型化隔離放大器ACPL-C79A經(jīng)常被使用在直流母線監(jiān)測應(yīng)用上作為電壓傳感器，如圖6所示。設(shè)計工程師必須通過依適當(dāng)比例選擇的R1和R2電阻值調(diào)整直流母線電壓以適應(yīng)隔離放大器的輸入電壓范圍。
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