絕緣柵雙極晶體管（IGBT， Insulated-Gate Bipolar Transistor）需要充分的保護(hù)以避免短路、過(guò)載和過(guò)電壓等錯(cuò)誤情況所造成的損壞和故障，這些保護(hù)是確保如電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及太陽(yáng)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(guò)電流和過(guò)載情況，具有快速響應(yīng)或快速錯(cuò)誤反饋的隔離放大器可以應(yīng)用于輸出相位和直流母線(xiàn)電壓檢測(cè)上。

介紹

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(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(kāi)關(guān)，這些功率器件必須以高頻率運(yùn)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(kāi)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(xiàn)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(guò)微控制器搜集，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)。

圖1a：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中電源轉(zhuǎn)換器功能框圖。

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)，Avago公司的隔離放大器產(chǎn)品提供有錯(cuò)誤情況的快速感應(yīng)以及可以避免錯(cuò)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(cuò)誤情況造成微控制器過(guò)載而引發(fā)故障。

不過(guò)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錯(cuò)誤保護(hù)的產(chǎn)品。為了滿(mǎn)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，于驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)功能外加入了基本的錯(cuò)誤檢測(cè)功能。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，請(qǐng)參考有關(guān)集成到Avago柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的保護(hù)功能以及如何把這些功能應(yīng)用于IGBT保護(hù)。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(shí)現(xiàn)的部份錯(cuò)誤保護(hù)功能。

過(guò)電流檢測(cè)

IGBT的過(guò)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(xiàn)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，請(qǐng)參考圖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(guò)載情況下獲取瞬變信息，請(qǐng)參考圖2［6］。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%。

除了快速響應(yīng)時(shí)間外，ACPL-C79A提供有±1%增益精確度，0.05%的卓越非線(xiàn)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(guò)1，230Vpeak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(guò)尺寸比標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)化框圖。

表1：錯(cuò)誤保護(hù)情況和問(wèn)題

另一個(gè)例子為Avago的HCPL-788J，使用了不同的方式達(dá)到過(guò)電流檢測(cè)的快速響應(yīng)，請(qǐng)參考圖3［7，8］。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(guò)電流情況，這款隔離放大器提供±3%的測(cè)量精確度。

在錯(cuò)誤反饋設(shè)計(jì)上，一個(gè)必須注意處理的問(wèn)題是意外觸發(fā)，意外觸發(fā)為無(wú)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(lái)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)誤閥值可以設(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(lái)檢測(cè)正向和負(fù)向閥值，開(kāi)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(cuò)誤狀態(tài)可以快速通過(guò)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。

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

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

解碼器檢測(cè)并把錯(cuò)誤情況通過(guò)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(lái)約1.4μs的傳播延遲。由錯(cuò)誤情況發(fā)生到錯(cuò)誤信號(hào)輸出旳總延遲時(shí)間為傳播延遲和消隱時(shí)間2μs的總合，帶來(lái)共3.4μs的總體錯(cuò)誤檢測(cè)時(shí)間，請(qǐng)參考圖4。

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(guò)線(xiàn)與（wire-ORed）方式產(chǎn)生單一錯(cuò)誤信號(hào)輸出，請(qǐng)參考圖5右上部分，之后這個(gè)信號(hào)可以通過(guò)控制器直接禁用PWM輸入。

圖4：HCPL-788J隔離放大器錯(cuò)誤檢查時(shí)間圖。

圖5：使用HCPL-788J并把錯(cuò)誤檢查信號(hào)通過(guò)線(xiàn)與（wire-ORed）方式連接的連接圖。

過(guò)載檢測(cè)

過(guò)載情況為電機(jī)電流超過(guò)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，例如因軸承損壞造成的電機(jī)機(jī)械過(guò)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(guò)載規(guī)格，可允許的過(guò)載時(shí)間依溫度過(guò)熱真正造成影響的時(shí)間決定，典型的過(guò)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(zhǎng)度。

Avago的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(guò)載閥值的靈活度。如果和正常工作電流比較，過(guò)載電流的測(cè)量精確度較不嚴(yán)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(dòng)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(guò)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。

Avago的HCPL-788J還包含一個(gè)額外功能，也就是ABSVAL輸出，可以用來(lái)簡(jiǎn)化過(guò)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)：

輸出當(dāng)然也可以使用線(xiàn)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)和閥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(guò)載情況，請(qǐng)參考圖5右下部分。

過(guò)電壓檢測(cè)

直流母線(xiàn)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(guò)變頻器的功率器件和回復(fù)二極管送回到直流母線(xiàn)，這個(gè)高電壓會(huì)加到直流母線(xiàn)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。

微型化隔離放大器ACPL-C79A經(jīng)常被使用在直流母線(xiàn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用上作為電壓傳感器，如圖6。設(shè)計(jì)工程師必須通過(guò)依適當(dāng)比例選擇的R1和R2電阻值調(diào)整直流母線(xiàn)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(hù)IGBT免于遭受過(guò)電流、過(guò)載和過(guò)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(dòng)器，如ACPL-332J可以實(shí)現(xiàn)高成本效益的充分IGBT保護(hù)方案。

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