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