發布日期：2022-07-24 點擊率：104
【導讀】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，因此需要進行充分的保護。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保護情況和問題。
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)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，這些保護是確保電機驅動以及太陽能和風能發電系統等應用安全穩定電源轉換運作的重要關鍵。要檢測過電流和過載情況，需要將快速響應或快速錯誤反饋的隔離放大器應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顯示了交流電機驅動電路中電源轉換的典型框圖，其中包含把直流母線電壓轉換為以不同頻率交流電源驅動電機的變頻器。IGBT為形成變頻器核心的功率開關，這些功率器件必須以高頻率運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噪聲情況下的電源轉換器精確電流測量。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，并使用這些數據計算出反饋值以及有效控制和錯誤管理電源轉換器所需的輸出信號。
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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。不過IGBT的保護必須以高成本效益方式進行，市場持續尋求不會大幅度影響電機驅動系統總體成本，但能夠提供充分IGBT保護的產品。為了滿足這個需求，IGBT柵極驅動器，如ACPL-332J和帶有保護功能的電流傳感器產品已經陸續出現在市場上。這些產品提供實現IGBT保護的高成本效益方案，免去獨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現的部分錯誤保護功能。
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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。在有限時間內錯誤必須被檢出，然后反饋給微控制器，并于時限內完成關斷程序。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的快速響應時間，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時間僅2.6μs即可達到最終水平的90%。
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除了快速響應時間外，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準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到過電流檢測的快速響應（見圖3）。除了信號數輸出引腳外，它還提供了一個會在錯誤情況發生時快速由高電平變為低電平的Fault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。
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在錯誤反饋設計上，一個必須注意處理的問題是意外觸發，意外觸發為無明顯錯誤情況下產生的錯誤檢測觸發動作，可能會損壞IGBT。為了避免錯誤觸發，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定在低上許多的水平而不會提高意外觸發的風險。
要實現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，開關切換閾值等于256mV的Sigma-Delta調制器參考。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。
為了確保錯誤狀態可以快速通過隔離屏障傳遞，使用兩個獨特的數字編碼序列代表錯誤情況，一個代表正向，一個代表負向。當檢出錯誤情況時，光通道上正常的數據傳輸會被中斷，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）。
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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。
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IGBT過載檢測
過載情況為電機電流超過驅動額定電流大小，但未達到使變頻器或電機立即損壞危險的情況，如因軸承損壞造成的電機機械過載或電機堵轉。
變頻器通常會在正常規格外加入過載規格，可允許的過載時間依溫度過熱真正造成影響的時間決定，典型的過載規格大約為處于正常負載的1.5倍達1分鐘時間長度。
ACPL-C79A可以接受±300mV全幅輸入，產品數據手冊中的數據以±200mV正常輸入范圍為基準，設計工程師擁有選擇兩個數據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格，而這正是普遍情況，那么把閾值設定在接近300mV為能夠使用完整隔離放大器動態范圍的良好選擇，然而把閾值設定在200mV則可以確保過載電流測量的精確度。決定電壓大小后，設計工程師必須依相對電流大小選擇合適的感應電阻值。
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
輸出當然也可以使用線與方式連接，當結合3個正弦電機相位時，經整流的輸出ABSVAL基本上是一個代表電機RMS電流的直流信號，這個直流信號和閾值比較器可以在電機或驅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受到控制，在某些工作情況下，電機作為發電機把高電壓通過變頻器的功率器件和恢復二圖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的最大集電極到發射極電壓而造成損壞。
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微型化隔離放大器ACPL-C79A經常被使用在直流母線監測應用上作為電壓傳感器，如圖6所示。設計工程師必須通過依適當比例選擇的R1和R2電阻值調整直流母線電壓以適應隔離放大器的輸入電壓范圍。
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