【技术】这款门极驱动光耦让你的隔离驱动和故障保护一个都不少！

时间： 2017-01-26 来源：世强

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【摘要】为高压控制连接提供隔离的常用方法就是采用门极驱动光耦合器。RENESAS推出了一系列光耦合器，包括基本型驱动PS9031和PS9531，以及智慧型驱动PS9402。其最大的亮点，一个是高共模噪声抑制，这有助于防止PWM开关噪声反作用于系统控制器；另一个是宽工作温度范围，-40℃～125℃。本文针对基于IGBT的逆变器的能量最优转化和故障解决方案进行剖析。

为什么要对功率和逻辑电压域采取隔离措施？当前，工业自动化系统中，大量采用逆变器来实现对电机的变频控制，通过控制器、驱动和功率模块等来综合实现。然而，通常该系统控制器运行在一个与其控制的功率模块不同的电压域。尽管电源工作在几十伏的电压域，直流传输线工作在几百伏的电压域，但系统控制器的逻辑电路一般工作在3V-5V的电压域。为了尽量减少系统发生故障时对控制器的损害，必须采取适当的隔离措施来实现功率和逻辑电压域的隔离。这样的隔离不仅可用来保护高直流传输线电压下的控制器逻辑，还有助于保护通常通过控制器界面与系统进行交互的用户。

图1：光耦透视示意图

解析如何让IGBT功率模块实现能量最优转化

为了产生交流电信号，逆变器通常采用桥式拓扑成对操控IGBT 的开关。两个开关通常不能同时导通，然而如果在关掉上一个IGBT前，新的IGBT导通的话就可能导致直流轨道短路和系统损坏。为了杜绝这种情况的发生，PWM信号装置必须在关闭一个IGBT 和开启另一个IGBT之间设置一定的“死区时间”。遗憾的是，该死区时间会对逆变器的功率转换效率产生不利的影响。在死区时间内，从电源到负载都没有电流产生。因此，不是所有的电源能量都能转变并被输送至负载，这就降低了系统的效率。

设计中死区时间的长短很大程度上取决于控制信号输入和门极驱动输出间的传播延迟时的设备到设备变率。安全值应至少等同于设备所显示的最快开启和最慢关闭之间的差值。设备开关越精准 (即越低的变率），那么设计中所需要的停滞时间则越短。Renesas门极驱动光耦合器在典型的逆变器设计中，当开关切换间的变率小于200ns或少于开关周期的1%时，就能允许逆变器获得高过95%的功率转换效率。

图2：IGBT典型工作区域曲线

基于IGBT的逆变器的4个主要故障模式

逆变器中需要保护的最关键部件是IGBT。这些设备在20年的系统使用寿命内，在很多情况下都很可能发生故障。在保护功能失灵时，交流电输出的短路IGBT门极电压过低、开关瞬态产生的噪音和系统控制器故障等都可能导致IGBT损坏。下面分析IGBT的4个主要故障模式。

模式1：交流电输出的短路IGBT门极电压过低

在很多状况下，都可以通过检查IGBT的运转状态来查看损坏是如何产生的。正常运行时，IGBT的门极驱动（VGE），一般为15V左右，在开启时已足以使IGBT达到饱和度。达到饱和时，IGBT可以处理几百安培的电流而集射电压(VCE)压降很小，如图2所示，这样就可以降低功率的损失和IGBT的发热。为了达到饱和状态，门极驱动电压至少要达到12V。低门极驱动（~10V）使得IGBT滑入其线性工作区，这会有潜在的灾难性后果。在IGBT的线性工作区，VCE（集电极与发射极间电压）会快速升高，当通过IGBT的电流消耗超过某一临界值时，这个值通常远远低于逆变器的预期容量。这种上升的电压和电流消耗一起导致IGBT过热，可迅速导致设备的损坏或故障。

图3：IGBT导通压降与驱动电压关系曲线

模式2：通过IGBT的电流消耗过多导致负载短路

即使采用了符合设计水平的门极驱动，如果通过 IGBT 的电流消耗过多，IGBT也会滑出其饱和区，如图3所示，这种过多的电流消耗可能是由于交流线路的过载、逆变器供电轨的短路、或通过 PWM开关来调节输出电压的控制器发生故障所致。就门极驱动条件而言，由于电流消耗过多而导致的饱和度减少表现在 VCE 随之升高和过热损坏设备。

图4：IGBT关闭时的尖峰电压

模式3：过冲电压导致半导体的内部结构破裂

如果母线电源和 IGBT之间的连接有太多的电感，迅速关掉一个IGBT——如在故障引发逆变器关断时——可能触发另一种故障模式。中断电流的反电动势通过电感在通过IGBT时产生电压尖峰，如图4所示。这种过冲电压，如果足够高，可能会导致半导体的内部结构破裂，引起设备损坏。过冲电压的大小取决于电路的寄生电感和IGBT的切换时间。

图5：米勒电容通过驱动器放电可能造成误导通

模式4：寄生米勒电容引起的导通

门极和集电极之间的寄生米勒电容是引起基于IGBT的逆变器设计的第四个主要故障模式。米勒电容的放电路径从门极驱动器贯穿到地面（图5），形成一个横过门电阻和驱动器输出阻抗的电压降。如果米勒电容拥有足够的电荷，电压降可以使IGBT 在其驱动器关闭后仍保持开启，这将导致逆变器轨与轨间的短路，类似于切换时没有足够的停滞时间的情形。

瑞萨光耦合器PS9402为故障提供解决方案集成保护降低成本和设计复杂性，防止此类故障的保护电路可以用分立元件来设计在变频器中。然而，Renesas的PS9402门极驱动光耦合器提供了一个集成解决方案，从而减少离散设计的成本、电路板空间和离散设计的设计工作时间。Renessas的光耦合器PS9402为四个主要的IGBT故障模式提供保护。

方案1：门极电压不足咋整？采用欠压锁定(UVLO)功能

为了消除门极电压不足造成的问题，PS9402光耦合器采用了一个欠压锁定(UVLO) 功能。UVLO电路电源对光耦合器输出进行零电压钳位，直到电源电压达到UVLO 的正向阈值，才释放钳位。如果电源电压保持在阈值附近，电路就会出现滞后作用，以防止振动。直到电源电压下降低于正向阈值电压大约两伏时，钳位才会重新起作用。

方案2：负载短路？光耦合器的去饱和检测器来搞定

光耦合器的去饱和检测器可以防止负载短路和其他触发状况引起的逆变器损坏。该检测器监控IGBT的VCE，如果电压超过预设的7V的阀值，光耦合器就会驱动并启动局部故障停机时序。该停机时序可以发出故障信号，以便使控制器可以适时地实现控制系统的关闭、重置或恢复。

图6：集成MOSFET实现软关断功能

方案3：电压过冲？关闭时序包括 IGBT 的一个“软”关闭

软关闭采用了两阶段的运作，以使IGB的门极电容放电，如图6所示。第一阶段激活一个弱下拉设备，相对缓慢的降低门极电压——防止IGBT电流的快速变化——直到VGE降至2V以下。此时进入第二阶段，激活一个传导性50 倍于第一阶段的下拉设备以使用IGBT完成关闭。

图7：有源米勒钳位防止IGBT误导通

方案4：寄生导通效应？光耦合器为电流提供低阻抗放电路径

如图7所示，有源米勒钳位监控门极电压，如果 VGE低于2V，就要打开一个直接连接到IGBT门极的晶体管。晶体管绕过驱动器和外部门极电阻，防止米勒电流激活门极。

PS9402门极驱动光耦合器的这些保护电路的集成可以大大提高系统的安全性和可靠性。PS9402不仅将系统的逻辑和电源电压域隔离开，还有效防止了常见的故障情况的发生。同时，Renesas光耦合器所具有的增强型电流屏蔽，为用户和系统的高电压之间提供了一个故障安全屏障，以及内置的保护电路，以简化逆变器系统设计并降低成本。

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全部评论（115）

脚滩头 Lv6 高级专家 2018-12-06

通过IGBT的电流消耗过多会不会导致负载短路？
- 幸运星回复：问什么会消耗过多。这是要主要解决的问题
  查看全部1条回复
脚滩头 Lv6 高级专家 2018-12-06

基于IGBT的逆变器的有哪4个主要故障模式？
- 用户34872353回复：主要有过温，过流，过压及短路等故障模式；
  查看全部1条回复
脚滩头 Lv6 高级专家 2018-12-06

为什么要对功率和逻辑电压域采取隔离措施？
- 用户34872353回复：隔离目的主要是高压侧电源与弱电侧电源实现电气隔，如果高压侧异常时，通过隔离可以保护弱电侧的器件不容易出现损坏情况；
  查看全部1条回复
北极风 Lv7. 资深专家 2019-01-23

学习
用户83734992 Lv6. 高级专家 2019-01-23

又可以好好学习了

红土地 Lv7. 资深专家 2019-01-21

学习了
LEE Lv8. 研究员 2019-01-21

很好，强
菲娜樱子 Lv8. 研究员 2019-01-21

不错不错
V766 Lv7. 资深专家 2019-01-18

学习了
小李探花 Lv8. 研究员 2019-01-12

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