【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(cuò)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(cuò)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(dòng)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(cè)過電流和過載情況，需要將快速響應(yīng)或快速錯(cuò)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(cè)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。
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圖1a顯示了交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。
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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(cè)量。和電阻分壓器一起使用時(shí)，隔離放大器可以作為檢測(cè)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(jì)算出反饋值以及有效控制和錯(cuò)誤管理電源轉(zhuǎn)換器所需的輸出信號(hào)。
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錯(cuò)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(chǎng)持續(xù)尋求不會(huì)大幅度影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)需求，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(cè)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(cuò)誤保護(hù)功能。
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IGBT過電流檢測(cè)
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(cè)量外的錯(cuò)誤檢測(cè)功能（見圖1）。典型的IGBT短路承受時(shí)間可以達(dá)到10μs，為了確保有效的保護(hù)，絕對(duì)不能超出這個(gè)限制。在有限時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤必須被檢出，然后反饋給微控制器，并于時(shí)限內(nèi)完成關(guān)斷程序。要達(dá)到這個(gè)要求，隔離放大器可以使用不同的方法。
例如，ACPL-C79A擁有單階躍輸入1.6μs的快速響應(yīng)時(shí)間，允許隔離放大器在短路和過載情況下獲取瞬變信息（見圖2）。中點(diǎn)的輸入到輸出信號(hào)傳遞延遲只有2μs，輸出信號(hào)跟上輸入的反應(yīng)時(shí)間僅2.6μs即可達(dá)到最終水平的90%。
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除了快速響應(yīng)時(shí)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?cè)肼曇种颇芰Γ@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(gè)例子為HCPL-788J，使用了不同的方式達(dá)到過電流檢測(cè)的快速響應(yīng)（見圖3）。除了信號(hào)數(shù)輸出引腳外，它還提供了一個(gè)會(huì)在錯(cuò)誤情況發(fā)生時(shí)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(cè)量精確度。
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在錯(cuò)誤反饋設(shè)計(jì)上，一個(gè)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(cuò)誤情況下產(chǎn)生的錯(cuò)誤檢測(cè)觸發(fā)動(dòng)作，可能會(huì)損壞IGBT。為了避免錯(cuò)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(gè)方法的好處是抑制能力不會(huì)受到振幅大小的影響，這代表了錯(cuò)誤閾值可以設(shè)定在低上許多的水平而不會(huì)提高意外觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。
要實(shí)現(xiàn)達(dá)成快速錯(cuò)誤檢測(cè)的電路，錯(cuò)誤檢測(cè)方塊中使用兩個(gè)比較器來檢測(cè)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(cuò)誤狀態(tài)可以快速通過隔離屏障傳遞，使用兩個(gè)獨(dú)特的數(shù)字編碼序列代表錯(cuò)誤情況，一個(gè)代表正向，一個(gè)代表負(fù)向。當(dāng)檢出錯(cuò)誤情況時(shí)，光通道上正常的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)被中斷，并以錯(cuò)誤編碼序列位元流取代，這兩個(gè)錯(cuò)誤碼在設(shè)計(jì)上和普通編碼方式顯著不同，因此檢測(cè)器端可以在錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)立即檢出。
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解碼器檢測(cè)并把錯(cuò)誤情況通過隔離屏障傳送需要的時(shí)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(cuò)誤情況發(fā)生到錯(cuò)誤信號(hào)輸出的總延遲時(shí)間為傳播延遲和消隱時(shí)間2μs的總合，帶來共3.4μs的總體錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)間（見圖4）。
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Fault錯(cuò)誤輸出腳位允許多個(gè)器件的錯(cuò)誤信號(hào)連接在一起，使得多個(gè)器件可以通過線與(wire-ORed)方式產(chǎn)生單一錯(cuò)誤信號(hào)輸出（見圖5右上部分），之后這個(gè)信號(hào)可以通過控制器直接禁用PWM輸入。
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IGBT過載檢測(cè)
過載情況為電機(jī)電流超過驅(qū)動(dòng)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(xiǎn)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(huì)在正常規(guī)格外加入過載規(guī)格，可允許的過載時(shí)間依溫度過熱真正造成影響的時(shí)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(shí)間長度。
ACPL-C79A可以接受±300mV全幅輸入，產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)以±200mV正常輸入范圍為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)工程師擁有選擇兩個(gè)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(cè)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(dòng)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(cè)量的精確度。決定電壓大小后，設(shè)計(jì)工程師必須依相對(duì)電流大小選擇合適的感應(yīng)電阻值。
HCPL-788J還包含一個(gè)額外功能，也就是ABSVAL輸出，可以用來簡(jiǎn)化過載檢測(cè)電路。ABSVAL電路可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整型，并依下列公式提供正比于輸入信號(hào)絕對(duì)值的輸出信號(hào)：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(gè)正弦電機(jī)相位時(shí)，經(jīng)整流的輸出ABSVAL基本上是一個(gè)代表電機(jī)RMS電流的直流信號(hào)，這個(gè)直流信號(hào)和閾值比較器可以在電機(jī)或驅(qū)動(dòng)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(cè)
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(cuò)誤檢測(cè)信號(hào)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(gè)高電壓會(huì)加到直流母線電壓上形成IGBT上的超高電壓浪涌，這個(gè)浪涌可能會(huì)超出IGBT的最大集電極到發(fā)射極電壓而造成損壞。
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微型化隔離放大器ACPL-C79A經(jīng)常被使用在直流母線監(jiān)測(cè)應(yīng)用上作為電壓傳感器，如圖6所示。設(shè)計(jì)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。
