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。