通过光隔离放大器感应电流保护IGBT

绝缘栅双极晶体管(IGBT, Insulated-Gate Bipolar Transistor)需要充分的保护以避免短路、过载和过电压等错误情况所造成的损坏和故障，这些保护是确保如电机驱动以及太阳能和风能发电系统等应用安全稳定电源转换运作的重要关键。要检测过电流和过载情况，具有快速响应或快速错误反馈的隔离放大器可以应用于输出相位和直流母线电压检测上。

介绍
图1a显示了交流电机驱动电路中电源转换的典型框图，其中包含把直流母线电压转换为驱动电机不同频率交流电源的变频器。IGBT为形成变频器核心的昂贵功率开关，这些功率器件必须以高频率运行并且能够承受高电压。

隔离放大器，如图1b中的ACPL-C79A可以和分流电阻一起工作，提供即使存在高开关噪声情况下的电源转换器精确电流测量，和电阻分压器一起使用时，隔离放大器可以作为检测直流母线电压的精密电压传感器，由隔离放大器提供的电流和电压信息通过微控制器搜集，并使用这些数据计算出反馈值以及有效控制和错误管理电源转换器所需的输出信号。


图1a：电机驱动电路中电源转换器功能框图。

错误保护要求
变频器中IGBT是最昂贵的器件，因此必须尽可能提供保护，Avago公司的隔离放大器产品提供有错误情况的快速感应以及可以避免错误情况造成IGBT故障的微控制器算法，另外，隔离放大器中的光学隔离也可以避免错误情况造成微控制器过载而引发故障。
不过IGBT的保护必须以高成本效益方式进行，市场持续寻求不会大幅度影响电机驱动系统总体成本，但能够提供充分IGBT错误保护的产品。为了满足这个需求，IGBT栅极驱动器，如ACPL-332J和带有保护功能的电流传感器产品已经陆续出现在市场上，于驱动和感应功能外加入了基本的错误检测功能。这些产品提供实现IGBT保护的高成本效益方案，免去独立检测和反馈部件需求，请参考有关集成到Avago栅极驱动器产品的保护功能以及如何把这些功能应用于IGBT保护。本文的其他部份将聚焦于可由表1中所列出电流和电压传感器实现的部份错误保护功能。
过电流检测
IGBT的过电流情况可能因相位间短路、接地短路或直通所引起，输出相位和直流母线上的分流电阻加上隔离放大器电流感应器件提供了电流测量外的错误检测功能，请参考图1。典型的IGBT短路承受时间可以达到10μs，为了确保有效的保护，绝对不能超出这个限制。在有限时间内错误必须被检出，然后反馈给微控制器，并于时限内完成关断程序，要达到这个要求，隔离放大器可以使用不同的方法。

例如ACPL-C79A拥有单阶跃输入1.6μs的快速响应时间，允许隔离放大器在短路和过载情况下获取瞬变信息，请参考图2[6]。中点的输入到输出信号传递延迟只有2μs，输出信号跟上输入的反应时间仅2.6μs即可达到最终水平的90%。

除了快速响应时间外，ACPL-C79A提供有±1%增益精确度，0.05%的卓越非线性和60dB的信噪比(SNR, Signal to Noise Ratio)。ACPL-C79B则提供±0.5%的更高增益精确度，ACPL-C790的增益精确度为±3%。所有ACPL-C79A系列器件都通过1,230Vpeak最高工作绝缘电压认证，并具备高达15kV/μs的共模瞬变噪声抑制能力，这些功能通过尺寸比标准DIP-8封装小30%的延展型SO-8封装提供。


图1b：ACPL-C79A隔离放大器简化框图。

表1：错误保护情况和问题


另一个例子为Avago的HCPL-788J，使用了不同的方式达到过电流检测的快速响应，请参考图3[7,8]。除了信号数输出引脚外，它还提供了一个会在错误情况发生时快速由高电平变为低电平的Fault引脚指出过电流情况，这款隔离放大器提供±3%的测量精确度。

在错误反馈设计上，一个必须注意处理的问题是意外触发，意外触发为无明显错误情况下产生的错误检测触发动作，可能会损坏IGBT。为了避免错误触发，HCPL-788J采用脉冲鉴别电路来有效屏蔽电流(di/dt)和电压(dv/dt)变化浪涌的影响。这个方法的好处是抑制能力不会受到振幅大小的影响，这代表了错误阀值可以设定在低上许多的水平而不会提高意外触发的风险。

要实现达成快速错误检测的电路，错误检测方块中使用两个比较器来检测正向和负向阀值，开关切换阀值等于256mV的sigma-delta调制器参考，这些比较器的输出连接到消隐期为2μs的消隐滤波器，接着再送到编码器方块。

为了确保错误状态可以快速通过隔离屏障传递，使用两个独特的数字编码序列代表错误情况，一个代表正向，一个代表负向。当检出错误情况时，光通道上正常的数据传输会被中断，并以错误编码序列位元流取代，这两个错误码在设计上和普通编码方式显着不同，因此检测器端可以在错误发生时立即检出。


图2：具备1.6us快速瞬态响应的ACPL-C79A可以跟踪过载和短路电流


图3：在HCPL-788J中，差分输入电压通过sigma-delta模数转换器进行数字化编码后送给LED驱动器，接着通过隔离屏障送到检测器，并利用数模转换器把数据回复为电压和错误信号。

解码器检测并把错误情况通过隔离屏障传送需要的时间大约在1μs，加上400ns的抗混叠滤波器延迟带来约1.4μs的传播延迟。由错误情况发生到错误信号输出旳总延迟时间为传播延迟和消隐时间2μs的总合，带来共3.4μs的总体错误检测时间，请参考图4。

Fault错误输出脚位允许多个器件的错误信号连接在一起，使得多个器件可以通过线与(wire-ORed)方式产生单一错误信号输出，请参考图5右上部分，之后这个信号可以通过控制器直接禁用PWM输入。


图4：HCPL-788J隔离放大器错误检查时间图。


图5：使用HCPL-788J并把错误检查信号通过线与（wire-ORed）方式连接的连接图。

过载检测
过载情况为电机电流超过驱动额定电流大小，但未达到使变频器或电机立即损坏危险的情况，例如因轴承损坏造成的电机机械过载或电机堵转。

变频器通常会在正常规格外加入过载规格，可允许的过载时间依温度过热真正造成影响的时间决定，典型的过载规格大约为处于正常负载的1.5倍达1分钟时间长度。

Avago的ACPL-C79A可以接受±300mV全幅输入，产品数据手册中的数据以±200mV正常输入范围为基准，设计工程师拥有选择两个数据或之间过载阀值的灵活度。如果和正常工作电流比较，过载电流的测量精确度较不严格，而这正是普遍情况，那幺把阀值设定在接近300mV为能够使用完整隔离放大器动态范围的良好选择，然而把阀值设定在200mV则可以确保过载电流测量的精确度。决定电压大小后，设计工程师必须依相对电流大小选择合适的感应电阻值。

Avago的HCPL-788J还包含一个额外功能，也就是ABSVAL输出，可以用来简化过载检测电路。ABSVAL电路可以对输出信号进行整型，并依下列公式提供正比于输入信号绝对值的输出信号：


输出当然也可以使用线与方式连接，当结合3个正弦电机相位时，经整流的输出ABSVAL基本上是一个代表电机RMS电流的直流信号，这个直流信号和阀值比较器可以在电机或驱动电路受到伤害前指出过载情况，请参考图5右下部分。

过电压检测
直流母线电压必须持续受到控制，在某些工作情况下，电机作为发电机把高电压通过变频器的功率器件和回复二极管送回到直流母线，这个高电压会加到直流母线电压上形成IGBT上的超高电压浪涌，这个浪涌可能会超出IGBT的最大集电极到发射极电压而造成损坏。

微型化隔离放大器ACPL-C79A经常被使用在直流母线监测应用上作为电压传感器，如图6。设计工程师必须通过依适当比例选择的R1和R2电阻值调整直流母线电压以适应隔离放大器的输入电压范围。

总结
除了原有电流或电压感应功能外，Avago公司的隔离放大器提供了保护IGBT免于遭受过电流、过载和过电压情况的有效方法。使用ACPL-C79A隔离放大器搭配功能多样的栅极驱动器，如ACPL-332J可以实现高成本效益的充分IGBT保护方案。