【技术】隔离放大器+多功能栅极驱动器 实现变频器IGBT保护
摘要
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1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1：电机驱动电路中电源转换功能方框图
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，SILICON LABS推出的具有高可靠隔离、业界最高带宽和最低信号传输延迟的隔离电流感测放大器Si8920(图2)能够很好胜任这些应用。Si8920使用的是低压差分输入，这种输入方式是测量分流器电阻两端的电压和必须把传感器与控制系统隔离的理想选择。
图2：Si8920隔离放大器简化框图
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，Silicon Labs的IGBT栅极驱动器Si828x和隔离放大器Si8920产品已经陆续出现在市场上，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。
表1：错误保护情况和问题
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。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，隔离放大器必须要有快速的响应时间。例如Si8920拥有输入不超过1μs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3。
除了快速响应时间外，Si8920提供小于0.5%增益误差，全范围0.1%的卓越非线性和75 kV/µs的高共模瞬态抗扰度。另外，Si8920提供了8PIN的DIP-8和16PIN宽体SOIC-16两种封装，DIP-8封装的绝缘隔离电压是3.75KV，宽体SOIC-16封装的绝缘隔离电压是5KV。
图3：具备快速瞬态响应的Si8920可以跟踪过载和短路电流
过载检测
过载情况为电机电流超过驱动额定电流大小，但未达到使变频器或电机立即损坏危险的情况，例如因轴承损坏造成的电机机械过载或电机堵转。
变频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决定，典型的过载规格大约为处于正常负载的1.5倍达1分钟时间长度。
Silicon Labs的Si8920可以接受±100mV和±200mV差分输入，设计工程师拥有选择两个数据或之间过载阀值的灵活度。决定电压大小后，设计工程师必须依相对电流大小选择合适的感应电阻值。当电机发生堵转或负载过重时，系统通过电流传感器检测到线路上发生过流，可以驱动IPM模块实现关断从而起到保护功能。
过电压检测
直流母线电压必须持续受到控制，在某些工作情况下，电机作为发电机把高电压通过变频器的功率器件和恢复二极管送回到直流母线，这个高电压会加到直流母线电压上形成IGBT上的超高电压浪涌，这个浪涌可能会超出IGBT的最大集电极到发射极电压而造成损坏。
隔离放大器Si8920经常被使用在直流母线监测应用上作为电压传感器，如图4。设计工程师必须通过依适当比例选择的R1和R2电阻值调整直流母线电压以适应隔离放大器的输入电压范围。
图4：使用Silicon Labs的Si8920作为电压感应
总结
除了原有电流或电压感应功能外，Silicon Labs公司的隔离放大器提供了保护IGBT免于遭受过电流、过载和过电压情况的有效方法。使用Si8920隔离放大器搭配功能多样的栅极驱动器，如Si828x可以实现高成本效益的充分IGBT保护方案。
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