絕緣柵雙極晶體管（IGBT， Insulated-Gate Bipolar Transistor）需要充分的保護以避免短路、過載和過電壓等錯誤情況所造成的損壞和故障，這些保護是確保如電機驅(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)換運作的重要關(guān)鍵。要檢測過電流和過載情況，具有快速響應(yīng)或快速錯誤反饋的隔離放大器可以應(yīng)用于輸出相位和直流母線電壓檢測上。

介紹

圖1a顯示了交流電機驅(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)換為驅(qū)動電機不同頻率交流電源的變頻器。IGBT為形成變頻器核心的昂貴功率開關(guān)，這些功率器件必須以高頻率運行并且能夠承受高電壓。

隔離放大器，如圖1b中的ACPL-C79A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，由隔離放大器提供的電流和電壓信息通過微控制器搜集，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。

圖1a：電機驅(qū)動電路中電源轉(zhuǎn)換器功能框圖。

錯誤保護要求

變頻器中IGBT是最昂貴的器件，因此必須盡可能提供保護，Avago公司的隔離放大器產(chǎn)品提供有錯誤情況的快速感應(yīng)以及可以避免錯誤情況造成IGBT故障的微控制器算法，另外，隔離放大器中的光學(xué)隔離也可以避免錯誤情況造成微控制器過載而引發(fā)故障。

不過IGBT的保護必須以高成本效益方式進行，市場持續(xù)尋求不會大幅度影響電機驅(qū)動系統(tǒng)總體成本，但能夠提供充分IGBT錯誤保護的產(chǎn)品。為了滿足這個需求，IGBT柵極驅(qū)動器，如ACPL-332J和帶有保護功能的電流傳感器產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)在市場上，于驅(qū)動和感應(yīng)功能外加入了基本的錯誤檢測功能。這些產(chǎn)品提供實現(xiàn)IGBT保護的高成本效益方案，免去獨立檢測和反饋部件需求，請參考有關(guān)集成到Avago柵極驅(qū)動器產(chǎn)品的保護功能以及如何把這些功能應(yīng)用于IGBT保護。本文的其他部份將聚焦于可由表1中所列出電流和電壓傳感器實現(xiàn)的部份錯誤保護功能。

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，請參考圖1。典型的IGBT短路承受時間可以達到10μs，為了確保有效的保護，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，要達到這個要求，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)時間，允許隔離放大器在短路和過載情況下獲取瞬變信息，請參考圖2［6］。中點的輸入到輸出信號傳遞延遲只有2μs，輸出信號跟上輸入的反應(yīng)時間僅2.6μs即可達到最終水平的90%。

除了快速響應(yīng)時間外，ACPL-C79A提供有±1%增益精確度，0.05%的卓越非線性和60dB的信噪比（SNR， Signal to Noise Ratio）。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1，230Vpeak最高工作絕緣電壓認證，并具備高達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DIP-8封裝小30%的延展型SO-8封裝提供。

圖1b：ACPL-C79A隔離放大器簡化框圖。

表1：錯誤保護情況和問題

另一個例子為Avago的HCPL-788J，使用了不同的方式達到過電流檢測的快速響應(yīng)，請參考圖3［7，8］。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，這代表了錯誤閥值可以設(shè)定在低上許多的水平而不會提高意外觸發(fā)的風(fēng)險。

要實現(xiàn)達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向閥值，開關(guān)切換閥值等于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，接著再送到編碼器方塊。

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。

圖2：具備1.6us快速瞬態(tài)響應(yīng)的ACPL-C79A可以跟蹤過載和短路電流

圖3：在HCPL-788J中，差分輸入電壓通過sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化編碼后送給LED驅(qū)動器，接著通過隔離屏障送到檢測器，并利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)據(jù)回復(fù)為電壓和錯誤信號。

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)生到錯誤信號輸出旳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，請參考圖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，請參考圖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。

圖4：HCPL-788J隔離放大器錯誤檢查時間圖。

圖5：使用HCPL-788J并把錯誤檢查信號通過線與（wire-ORed）方式連接的連接圖。

過載檢測

過載情況為電機電流超過驅(qū)動額定電流大小，但未達到使變頻器或電機立即損壞危險的情況，例如因軸承損壞造成的電機機械過載或電機堵轉(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載的1.5倍達1分鐘時間長度。

Avago的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，設(shè)計工程師擁有選擇兩個數(shù)據(jù)或之間過載閥值的靈活度。如果和正常工作電流比較，過載電流的測量精確度較不嚴格，而這正是普遍情況，那幺把閥值設(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，然而把閥值設(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。

Avago的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：

輸出當(dāng)然也可以使用線與方式連接，當(dāng)結(jié)合3個正弦電機相位時，經(jīng)整流的輸出ABSVAL基本上是一個代表電機RMS電流的直流信號，這個直流信號和閥值比較器可以在電機或驅(qū)動電路受到傷害前指出過載情況，請參考圖5右下部分。

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，電機作為發(fā)電機把高電壓通過變頻器的功率器件和回復(fù)二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。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。

總結(jié)

除了原有電流或電壓感應(yīng)功能外，Avago公司的隔離放大器提供了保護IGBT免于遭受過電流、過載和過電壓情況的有效方法。使用ACPL-C79A隔離放大器搭配功能多樣的柵極驅(qū)動器，如ACPL-332J可以實現(xiàn)高成本效益的充分IGBT保護方案。

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