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如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

發(fā)布時(shí)間:2013-11-07 來源:安華高科技公司 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)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(jìn)行充分的保護(hù)。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(hù)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(cuò)誤的IGBT保護(hù)情況和問題。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)需要充分的保護(hù)以避免短路、過載和過電壓等錯(cuò)誤情況所造成的損壞和故障,這些保護(hù)是確保電機(jī)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(yùn)作的重要關(guān)鍵。要檢測過電流和過載情況,需要將快速響應(yīng)或快速錯(cuò)誤反饋的隔離放大器應(yīng)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(hù)IGBT避免受到電流過高和過電壓等情況的影響。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

圖1a顯示了交流電機(jī)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)換為以不同頻率交流電源驅(qū)動電機(jī)的變頻器。IGBT為形成變頻器核心的功率開關(guān),這些功率器件必須以高頻率運(yùn)行并能夠承受高電壓。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

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(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(shí),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(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。
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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)。不過IGBT的保護(hù)必須以高成本效益方式進(jìn)行,市場持續(xù)尋求不會大幅度影響電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)總體成本,但能夠提供充分IGBT保護(hù)的產(chǎn)品。為了滿足這個(gè)需求,IGBT柵極驅(qū)動器,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)在市場上。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(shí)現(xiàn)的部分錯(cuò)誤保護(hù)功能。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

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(yīng)器件提供了電流測量外的錯(cuò)誤檢測功能(見圖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載情況下獲取瞬變信息(見圖2)。中點(diǎn)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(shí)間僅2.6μs即可達(dá)到最終水平的90%。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

除了快速響應(yīng)時(shí)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(rèn)證,并具備高達(dá)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(zhǔn)DIP-8封裝小30%的延展型SO-8封裝提供。
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另一個(gè)例子為HCPL-788J,使用了不同的方式達(dá)到過電流檢測的快速響應(yīng)(見圖3)。除了信號數(shù)輸出引腳外,它還提供了一個(gè)會在錯(cuò)誤情況發(fā)生時(shí)快速由高電平變?yōu)榈碗娖降腇ault引腳指出過電流情況,這款隔離放大器提供±3%的測量精確度。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

在錯(cuò)誤反饋設(shè)計(jì)上,一個(gè)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(cuò)誤情況下產(chǎn)生的錯(cuò)誤檢測觸發(fā)動作,可能會損壞IGBT。為了避免錯(cuò)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(gè)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(cuò)誤閾值可以設(shè)定在低上許多的水平而不會提高意外觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

要實(shí)現(xiàn)達(dá)成快速錯(cuò)誤檢測的電路,錯(cuò)誤檢測方塊中使用兩個(gè)比較器來檢測正向和負(fù)向閥值,開關(guān)切換閾值等于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,再送到編碼器方塊。

為了確保錯(cuò)誤狀態(tài)可以快速通過隔離屏障傳遞,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,因此檢測器端可以在錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)立即檢出。
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解碼器檢測并把錯(cuò)誤情況通過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約1.4μs的傳播延遲。由錯(cuò)誤情況發(fā)生到錯(cuò)誤信號輸出的總延遲時(shí)間為傳播延遲和消隱時(shí)間2μs的總合,帶來共3.4μs的總體錯(cuò)誤檢測時(shí)間(見圖4)。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

Fault錯(cuò)誤輸出腳位允許多個(gè)器件的錯(cuò)誤信號連接在一起,使得多個(gè)器件可以通過線與(wire-ORed)方式產(chǎn)生單一錯(cuò)誤信號輸出(見圖5右上部分),之后這個(gè)信號可以通過控制器直接禁用PWM輸入。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT
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IGBT過載檢測

過載情況為電機(jī)電流超過驅(qū)動額定電流大小,但未達(dá)到使變頻器或電機(jī)立即損壞危險(xiǎn)的情況,如因軸承損壞造成的電機(jī)機(jī)械過載或電機(jī)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(shí)間依溫度過熱真正造成影響的時(shí)間決定,典型的過載規(guī)格大約為處于正常負(fù)載的1.5倍達(dá)1分鐘時(shí)間長度。

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(zhǔn),設(shè)計(jì)工程師擁有選擇兩個(gè)數(shù)據(jù)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(yán)格,而這正是普遍情況,那么把閾值設(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,然而把閾值設(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(jì)工程師必須依相對電流大小選擇合適的感應(yīng)電阻值。

HCPL-788J還包含一個(gè)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(jìn)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(dāng)然也可以使用線與方式連接,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,這個(gè)直流信號和閾值比較器可以在電機(jī)或驅(qū)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(xù)受到控制,在某些工作情況下,電機(jī)作為發(fā)電機(jī)把高電壓通過變頻器的功率器件和恢復(fù)二圖5使用HCPL-788J并把錯(cuò)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(gè)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(gè)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。

如何通過光隔離放大器感應(yīng)電流保護(hù)IGBT

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所示。設(shè)計(jì)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。

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