【经验】11KW伺服驱动器优化项目中使用瑞萨IGBT驱动光耦PS9402出现干扰和短路保护问题的解决办法
笔者在做11KW伺服驱动器优化项目时，IGBT模块的驱动光耦使用的是安华高（AVAGO）ACPL-333J。RENESAS也推出了IGBT驱动光耦PS9402，产品的功能与封装与ACPL-333J一样，在优化成本的过程中，笔者申请过PS9402的样品进行测试。在使用此类型光耦时笔者遇到过：干扰问题和短路不能可靠保护问题。本文就这两个问题进行分享。
瑞萨的PS9402驱动能力为2.5A，自带保护功能，保护的原理是：检测到IGBT的Vce电压升高时，触发PS9402的desat引脚，然后输出一个fault信号，控制器采集到fault信号之后封锁PWM信号。下面对笔者遇到的两个问题分别进行说明。
【1】干扰问题
PS9402的保护机理电路如下图所示：
图1.1 Vce检测的保护机理电路
图中的Cblank为PS9402光耦desat引脚的消隐时间控制电容，通过电容容量大小来控制desat引脚的消隐时间。典型的计算公式为：100pf * 6.5V/240μA=2.7μs，手册中推荐此电容的容量为100pf。在实际使用中，笔者发现伺服驱动器带电机的时候偶尔会出现误跳保护的情况。实际测试desat引脚由低变高使得fault有信号输出的波形如下：
图1.2 desat引脚由低变高与控制器采样信号之间的延迟
1通道：PS9402光耦desat引脚；2通道：控制器采样信号
从图1.2可以看出，desat引脚在6.6μs时上升至6.5V，同时Cblank电容起到一定的滤波作用，但是电容的容量太小，电机启动瞬间可能会有噪声信号带进光耦的desat引脚而导致误触发。随后把Cblank电容的容量由100pf改为330pf，误跳的问题不再发生。更改为330pf之后光耦desat引脚与控制器采样信号之间的延迟变为如下图所示：
图1.3 Cblank电容改为330pf之后desat引脚与控制器采样信号之间的延迟
1通道：PS9402光耦desat引脚；2通道：控制器采样信号
【2】短路不能可靠保护问题
在按照Cblank电容为330pf的基础上，对11kW-37kW的整机都进行了修改、测试，误跳保护的情况几乎不会发生，机器运行也都正常，最后做短路保护的时候偶尔会出现不能可靠保护的情况，短路保护分为两种情况：运行短路和短路着运行，出现问题的阶段往往是短路着运行。在短路着运行的时候，随着PWM的占空比越来越大，电流也会越来越大，模块IGBT的Vce也是逐渐加大，在Vce逐渐加大的过程中，偶尔会有模块因长时间大电流导致损坏。短路着运行时的电流情况如下图所示：
图2.1 短路着运行时的电流情况
1通道：控制器采样信号；2通道：短路时的电流信号
根据图1.3的情况看，根本的原因就是光耦desat引脚上升的时间变缓导致不能迅速的采集到信号，致使模块损坏，但330pf的电容一旦改小又会面临误触发的情况。经过与技术支持的沟通，在保持Cblank电容不变的前提下，可以通过改变光耦desat引脚对Cblank电容的充电电流来解决此问题。PS9402的手册中有对Cblank电容的充电电流的描述如下图所示：
图2.2 PS9402资料中Cblank电容电流的描述
desat引脚对Cblank电容的充电电流典型值为240μA，当外部的Cblank电容容量大的时候会导致充电时间加长，变相的加长了保护的时间。针对此情况是在外部增加一个电流源，外部增加的电流源与光耦内部的电流源一起对Cblank电容进行充电，系统方案图下所示：
图2.3 外部增加电流源之后的系统图
笔者在实验的时候，R选择的是20KΩ，外部的Cblank电容选取的是330pf，光耦的desat引脚与控制器采样信号之间的延迟时间如下图所示：
图2.4 外部增加电流源之后desat引脚与控制器采样信号之间的延迟
1通道：PS9402光耦desat引脚；2通道：控制器采样信号
从图2.4可以看出，增加了外部电流源之后，光耦desat引脚的上升速度变快，而Cblank电容依然采用330pf，能滤除较多的噪声毛刺信号。按照此方案进行短路着运行时间，可以顺利通过，而且可进行多次短路实验同时模块不损坏。
以上就是笔者使用PS9402光耦时遇到的问题以及解决方案，有更好的处理方案也欢迎交流。
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