【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

2021-03-27 世强
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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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