如何保护电机驱动器和可再生能源系统中的IGBT

电源转换

电源转换电路经常应用于电机驱动器或可再生能源的电源转换上，设计中包含可以将直流母线电压转换为交流电压的逆变器，用来推动电机或连接到可再生能源系统的电网。　　

图1：交流─直流─交流转换器功能框图。

[图说]
　　Rectifier AC-DC = AC-DC整流器
　　HCPL-788J/ACPL-785J CURRENT SENSOR = HCPL-788J/ACPL-785J电流传感器
　　ACPL-C78A VOLTAGE SENSOR = ACPL-C78J电压传感器
　　GATE DRIVE ACPL-322J = ACPL-322J栅极驱动器
　　Micro-Controller = 微控制器
　　Inverter DC-AC = DC-AC电源逆变器
　　HCPL-788J/ACPL-785J CURRENT SENSOR,3x = 3组HCPL-788J/ACPL-785J电流传感器

电源转换器的核心为以高频率运行，并且可以承受高直流母线电压，价格昂贵的功率器件，如IGBT，这些功率器件提供的效率和可靠性是系统发挥极大化性能的重要关键。

光电耦合器经常应用于这类系统中以提供控制电路和高直流母线电压间的安全电气隔离，这些器件通常也拥有高共模噪声抑制(CMR, Common Mode Rejection)能力以避免IGBT在高噪环境下被错误驱动。

因为可以提供高输出电流进行精密开关动作并达到高功率转换效率，栅极驱动光电耦合器广泛应用于IGBT的驱动上，高性能栅极驱动光电耦合器，如安华高科技公司(Avago Technologies)的ACPL-332J由于集成包括VCE 去饱合检测、UVLO欠压锁定、IGBT软关断、隔离集电极开路错误反馈和有源米勒箝位等功能，因此提供了保护IGBT一个紧凑且高成本效益的解决方案。

隔离放大器搭配上分流电阻提供了甚至在高开关噪声情况下的精确电流测量，除了电流感应外，这些器件内置的短路和过载检测功能更可以带来一个响应快速、高成本效益并且易于实现的故障检测解决方案。

表1列出了可能造成IGBT或电源转换器损坏的各种情况。　　

表1：各种需要错误保护的情况。

UVLO欠压锁定

ACPL-332J栅极驱动光电耦合器提供有欠压锁定(UVLO, Under Voltage Lock-Out)功能，透过强迫器件在启动时为低电压输出以避免不足的栅极电压。IGBT通常需要大约15V的栅极电压以达到规格要求的VCE(SAT)饱和电压，如果电压低于12V，IGBT可能会在线性区工作，使得VCE(SAT)饱和电压会在较大电流时大幅度提高，造成温度过高问题，在这种情况下，光电耦合器的UVLO欠压锁定功能就可以避免输出在栅极驱动器电源电压不足时导通IGBT。　　

图2：典型的IGBT工作区。

[图说]
　　Collector Current IC(A) = 集电极电流IC (A)
　　Saturation Region = 饱和区
　　Linear region = 线性区
　　Collector-Emitter Voltage VCE (V) = 集射极电压VCE (V)

去饱合检测和IGBT软关断

错误检测功能监测IGBT的 VCE(SAT) 电压，并于集电极电压进入去饱和区并超出预先设定的阀值时触发本地的错误保护关机程序，去饱和可以由接线错误引起的相位或轨电源短路、计算错误造成控制信号失效以及因负载引发的过载情况，或是栅极驱动电路中的零组件问题造成，在去饱和情况下，IGBT的电流和功耗会大幅度增加，造成IGBT过热，进而可能引发灾难性的故障。　　

图3：具备去饱和检测和有源米勒箝位功能的ACPL-332J。

IGBT的集射极电压 VCE由器件的DESAT引脚 (pin 14) 监测，当发生短路且VCE电压超过内部设定的去饱和错误检测阀值电压(7V)时，器件会启动受到控制的软关断动作以避免过大的电流变化(di/dt)造成电压短时脉冲，在此同时，内部的隔离反馈通道会拉低FAULT引脚 (pin 3) 输出告知微控制器发生错误情况。

米勒箝位

IGBT工作时一个常见的问题是米勒电容所引起的寄生导通问题，在关断时IGBT上如果发生电压变化(dVCE/dt)，S2将会形成因本身寄生米勒电容 CCG 所引发的电流，这个电流流过栅极电阻RG 和内部电阻RDRIVER，造成IGBT栅极到射极上的压降，如果这个电压超过IGBT的栅极阀值电压，那么就可能造成S2的寄生导通，引起电流击穿问题。　　

4：(a)IGBT因米勒电容造成的寄生导通，(b)有源米勒箝位可以对寄生米勒电流进行分流。

[图说]
　　DRIVER = 驱动器
　　Miller Capacitor = 米勒电容
　　Gate Voltage Spike! = 栅极电压短时脉冲!
　　High dV/dt = 高dV/dt电压变化
　　Shoot Through! = 击穿!
　　DRIVER = 驱动器
　　Miller Capacitor = 米勒电容
　　Low resistant path to shunt the parasitic Miller current = 对寄生米勒电流进行分流的低阻值路径
　　High dV/dt = 高dv/dt电压变化

为了避免不必要的IGBT导通，ACPL-332J栅极驱动光电耦合器中加入了米勒箝位功能，可以在关断时监测栅极电压并在低于2V时进行输出箝位，在较小的驱动要求时，米勒箝位也可以用来取代栅极驱动器的负电压源以快速进行IGBT的栅极放电和快速关断。

过电流检测

取决于保护需求，过电流情况可由不同检测点的组合，包括IGBT射极、三个输出相位以及HV+和HV-直流电压等进行，这是一个在隔离放大器中内置错误检测电路，如Avago的HCPL-778J和ACPL-785J等产品所采用的方法。

为了确保错误状态可以快速通过隔离屏障传递，HCPL-778J和ACPL-785J使用了两个独特的数字编码序列，当错误情况发生时，光通道上正常的数据传输会被中断，并以错误编码序列比特流取代，错误码在设计上和普通编码方式有明显不同，因此可以在错误情况发生时由解码器立即辨别。

意外触发是没有任何明显错误情况下发生错误检测所造成的错误触发，为了避免这类错误触发的发生，可以加入一个脉冲鉴别电路来有效防止电流(di/dt)和电压(dv/dt)变动所引起短时脉冲的影响，这个方法的好处是抑制能力不会受到振幅的影响，也就是说，错误阀值可以设定在较低的水平而不会提高意外触发的机会，比较器的输出在送到编码器方块前先连接到消隐时间为2ms的消隐滤波器。　　

图5：HCPL-778J和ACPL-785J器件内部功能框图。

[图说]
　　FAULT DETECT = 错误检测
　　MODULATOR = 调制器
　　REFERENCE = 参考
　　ENCODER = 编码器
　　DECODER = 解码器
　　RECTIFIER = 整流器

过载检测

过载为电机电流超过设备额定电流大小，但却还不至于造成电机或电源转换器立即损坏危险的情况。

电机的瞬间停机可能会造成系统层级的意外反应程序，因此，电源转换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而定，典型的过载规格大约为处于正常负载规格的1.5倍达1分钟时间长度。HCPL-778J和ACPL-785J隔离放大器还包含有一个额外功能，ABSVAL输出，可以用来帮助简化电路要求和这类过载情况的检测，ABSVAL电路可以对输出信号进行整型，提供依下列公式，正比于输入信号绝对值的输出信号：ABSVAL = |VIN| * VREF,EXT / 252mV。

总结

IGBT目前被广泛应用在电机或可再生能源系统中的电源转换器上，虽然有多种不同技术可以使用于IGBT驱动，但栅极驱动光电耦合器因为提供了电气隔离和共模噪声抑制能力，因此成为最佳成本效益的选择。为了强化这类高电压且快速开关应用的可靠性和安全性，集成型栅极驱动光电耦合器和隔离放大器可以使IGBT的保护更紧凑、成本更低并且更易于实现。