如何保護(hù)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器與可再生能源系統(tǒng)中的IGBT

電源轉(zhuǎn)換電路經(jīng)常被應(yīng)用在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器或可再生能源的功率轉(zhuǎn)換上，設(shè)計(jì)中包括可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓的電源轉(zhuǎn)換器，以便用來(lái)推動(dòng)馬達(dá)或連接到可再生能源系統(tǒng)的電網(wǎng)(圖1)。

圖1，交流-直流-交流轉(zhuǎn)換器功能框圖。

電源轉(zhuǎn)換器的核心是以高頻率運(yùn)作，能夠承受高直流電壓、價(jià)格昂貴的功率組件，例如IGBT，這些功率組件提供的效率與可靠度是系統(tǒng)發(fā)揮最大化效能的關(guān)鍵。

光耦合器通常被應(yīng)用在這類(lèi)系統(tǒng)中來(lái)提供控制電路與高直流電壓間的安全電氣隔離，這些組件通常也擁有高共模噪聲抑制(CMR, Common Mode Rejection)能力，以避免IGBT在高噪聲環(huán)境下被錯(cuò)誤驅(qū)動(dòng)。

由于能夠提供高輸出電流進(jìn)行精密切換動(dòng)作并達(dá)成高功率轉(zhuǎn)換效率，柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器被廣泛應(yīng)用在IGBT的驅(qū)動(dòng)上。高效能柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器，如安華高公司(Avago Technologies)的ACPL-332J由于整合了包括VCE去飽合偵測(cè)、UVLO電壓過(guò)低鎖定、和緩關(guān)斷、隔離開(kāi)集極錯(cuò)誤回授以及主動(dòng)式米勒箝位等功能，因此提供了一個(gè)保護(hù)IGBT的精簡(jiǎn)且低成本解決方案。

隔離放大器搭配上分流電阻提供了甚至在高切換噪聲情況下精確的電流測(cè)量，除了電流感測(cè)外，這些組件內(nèi)建的短路與過(guò)載偵測(cè)功能可以帶來(lái)一個(gè)響應(yīng)快速、高成本效益并且容易實(shí)現(xiàn)的錯(cuò)誤偵測(cè)解決方案。

表1列出了可能造成IGBT或電源轉(zhuǎn)換器損壞的各種情況。

表1，各種需要錯(cuò)誤保護(hù)的情況。

UVLO電壓過(guò)低鎖定

ACPL-332J柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器具有電壓過(guò)低鎖定(UVLO, Under Voltage Lock-Out)功能，通過(guò)強(qiáng)制組件在啟動(dòng)時(shí)為低電壓輸出以避免不足的柵極電壓，IGBT通常需要大約15V的柵極電壓以達(dá)到規(guī)格要求的VCE(SAT)飽和電壓，如果電壓低于12V，IGBT可能會(huì)在線性區(qū)運(yùn)作(圖2)，使得VCE(SAT)飽和電壓會(huì)在較大電流時(shí)大幅提高，造成溫度過(guò)高問(wèn)題，在這種情況下，光耦合器的UVLO電壓過(guò)低鎖定功能就可以避免輸出在柵極驅(qū)動(dòng)器電源電壓不足時(shí)導(dǎo)通IGBT。

圖2，典型IGBT的工作區(qū)。

去飽合偵測(cè)與IGBT和緩關(guān)斷

錯(cuò)誤偵測(cè)功能監(jiān)測(cè)IGBT的VCE(SAT)電壓，并在集極電壓進(jìn)入去飽和并超出預(yù)先設(shè)定的臨界值時(shí)觸發(fā)本地的錯(cuò)誤保護(hù)關(guān)機(jī)程序，去飽和可以由因接線錯(cuò)誤造成的相位或軌電源短路、計(jì)算錯(cuò)誤造成控制信號(hào)失效以及因負(fù)載產(chǎn)生的過(guò)載情況，或是柵極驅(qū)動(dòng)電路中的零件問(wèn)題而造成，在去飽和情況下，IGBT的電流與功率消耗會(huì)大幅增加，造成IGBT過(guò)熱，進(jìn)而可能造成災(zāi)難性的失效(圖3)。

圖3，具備去飽和偵測(cè)與主動(dòng)式米勒箝位功能的ACPL-332J。

IGBT的集射極電壓 VCE由組件的DESAT接腳(pin 14)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生短路且VCE電壓超過(guò)內(nèi)部設(shè)定的去飽和錯(cuò)誤偵測(cè)臨界電壓(7V)時(shí)，組件會(huì)啟動(dòng)受到控制的和緩關(guān)斷動(dòng)作以避免過(guò)大的電流變化(di/dt)造成電壓突波，與此同時(shí)，內(nèi)部的隔離回授通道會(huì)拉低FAULT接腳(pin 3)輸出以告知微控制器發(fā)生錯(cuò)誤情況。

米勒箝位

IGBT運(yùn)作時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是因米勒電容所引起的寄生導(dǎo)通問(wèn)題圖4(a)，在關(guān)斷時(shí)IGBT上如果發(fā)生電壓變化(dVCE/dt)，S2將會(huì)形成因本身寄生米勒電容CCG所引發(fā)的電流，這個(gè)電流流過(guò)柵極電阻RG與內(nèi)部電阻RDRIVER，造成IGBT柵極到射極上的壓降，如果這個(gè)電壓超過(guò)IGBT的柵極臨界電壓，那么就可能造成S2的寄生導(dǎo)通，引起電流擊穿問(wèn)題。

圖4，IGBT因米勒電容造成的寄生導(dǎo)通(a)，主動(dòng)式米勒箝位可以對(duì)寄生米勒電流進(jìn)行分流(b)。

為了避免不必要的IGBT導(dǎo)通，ACPL-332J柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器中加入了米勒箝位功能圖4(b)，可以在關(guān)斷時(shí)監(jiān)測(cè)柵極電壓并在低于2V時(shí)進(jìn)行輸出箝位，在較小驅(qū)動(dòng)時(shí)，米勒箝位也可以用來(lái)取代柵極驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電壓源以快速進(jìn)行IGBT的柵極放電與快速關(guān)斷。

電流過(guò)大偵測(cè)

依保護(hù)需求不同，電流過(guò)大情況可由不同偵測(cè)點(diǎn)組合，包括IGBT射極、三個(gè)輸出相位以及HV+與HV-直流電壓等進(jìn)行，這是一個(gè)在隔離放大器中內(nèi)建錯(cuò)誤偵測(cè)電路，如Avago的HCPL-778J與ACPL-785J等所采用的方法。

為了確保錯(cuò)誤狀態(tài)可以快速通過(guò)隔離屏障傳遞，HCPL-778J與ACPL-785J使用了兩個(gè)獨(dú)特的數(shù)字編碼序列，當(dāng)錯(cuò)誤情況發(fā)生時(shí)，光信道上正常的數(shù)據(jù)傳輸會(huì)被中斷，并以錯(cuò)誤編碼序列比特流取代，錯(cuò)誤碼在設(shè)計(jì)上與普通編碼方式有大幅的不同，因此可以在錯(cuò)誤情況發(fā)生時(shí)立即被譯碼器辨識(shí)出來(lái)。

意外觸發(fā)是沒(méi)有任何明顯錯(cuò)誤情況下發(fā)生錯(cuò)誤偵測(cè)所造成的錯(cuò)誤觸發(fā)，為了避免這類(lèi)錯(cuò)誤觸發(fā)的發(fā)生，可以加入一個(gè)脈波鑒別電路來(lái)有效防止電流(di/dt)與電壓(dv/dt)變動(dòng)所引起突波的影響，這個(gè)方法的好處是，抑制能力不會(huì)受到振幅的影響，也就是說(shuō)，錯(cuò)誤臨界點(diǎn)可以設(shè)定在較低的位準(zhǔn)而不會(huì)提高意外觸發(fā)的機(jī)會(huì)，比較器的輸出在送到編碼器方塊前先連接到遮蔽時(shí)間為2ms的遮蔽濾波器。

過(guò)載偵測(cè)

過(guò)載為馬達(dá)電流超過(guò)設(shè)備額定電流大小，但卻還不至于造成馬達(dá)或電源轉(zhuǎn)換器立即損壞的危險(xiǎn)情況。

馬達(dá)的瞬間停機(jī)可能會(huì)造成系統(tǒng)層級(jí)的意外反應(yīng)程序，因此，電源轉(zhuǎn)換器通常會(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)間而定，典型的過(guò)載規(guī)格大約為處于正常負(fù)載規(guī)格的1.5倍，時(shí)間長(zhǎng)度達(dá)1分鐘。HCPL-778J與ACPL-785J隔離放大器還包含有一個(gè)額外功能—ABSVAL輸出，可以用來(lái)幫助簡(jiǎn)化電路要求與這類(lèi)過(guò)載情況的偵測(cè)，ABSVAL電路能夠?qū)敵鲂盘?hào)進(jìn)行整型，提供依下列公式，正比于輸入信號(hào)絕對(duì)值的輸出信號(hào)：ABSVAL =|VIN| ×VREF，EXT/252mV。

總結(jié)

IGBT目前被廣泛應(yīng)用在馬達(dá)或可再生能源系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換器上，雖然有多種不同技術(shù)可以用于IGBT驅(qū)動(dòng)，但柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器由于提供了電氣隔離與共模抑制能力，因此成為最佳成本效益的選擇。為了強(qiáng)化這類(lèi)高電壓且快速切換應(yīng)用的可靠度與安全性，整合型柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器與隔離放大器可以使IGBT的保護(hù)更精簡(jiǎn)、成本更低并且更加容易實(shí)現(xiàn)。