實(shí)驗(yàn)示例

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)置采用三相逆變器，該逆變器由交流市電通過(guò)半波整流器供電。雖然系統(tǒng)最高可采用800 V的直流總線電壓，但本例中 的直流總線電壓為320 V。正常工作時(shí)，0.5 HP感應(yīng)電機(jī)由開(kāi)環(huán) V/Hz控制驅(qū)動(dòng)。IGBT采用International Rectifier提供的1200 V、30 A IRG7PH46UDPBF?？刂破鞑捎?a target="_blank">ADI的ADSP-CM408F Cortex?-M4F混合 信號(hào)處理器。使用隔離式Σ-Δ AD7403調(diào)制器進(jìn)行相位電流測(cè)量， 使用ADuM4135實(shí)現(xiàn)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)（它是一款磁性隔離式柵極驅(qū) 動(dòng)器產(chǎn)品，集成去飽和檢測(cè)、米勒箝位和其它IGBT保護(hù)功能）。 在電機(jī)相位之間，或在電機(jī)相位和負(fù)直流總線之間手動(dòng)開(kāi)關(guān)短 路，進(jìn)行短路測(cè)試。 本例中未測(cè)試短路至地。

　　控制器和電源板如圖5所示。它們均為ADI公司的ADSP-CM408F EZ-kit?6 和EV-MCS-ISOINVEP-Z隔離式逆變器平臺(tái)。

　　圖4. 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

　　圖5. ADI隔離式逆變器平臺(tái)搭配全功能IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器

　　實(shí)驗(yàn)硬件中，通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)IGBT過(guò)流和短路保護(hù)。它們分 別是： 直流總線電流檢測(cè)（逆變器直通故障） ；電機(jī)相位電流檢測(cè)（電機(jī)繞組故障） ； 柵極驅(qū)動(dòng)器去飽和檢測(cè)（所有故障）。

　　對(duì)于直流總線電流檢測(cè)電路，必須加一個(gè)小型濾波器，避免誤 觸發(fā)，因?yàn)橹绷骺偩€電流由于潛在的高噪聲電流而斷續(xù)。采用 具有3 μs時(shí)間常數(shù)的RC濾波器。檢測(cè)到過(guò)流后，其余有關(guān)IGBT關(guān) 斷的延遲是通過(guò)運(yùn)算放大器、比較器、信號(hào)隔離器、ADSP-CM408F 中的跳變響應(yīng)時(shí)間，以及柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲。這會(huì)額外增 加0.4 μs，使得故障至關(guān)斷的總時(shí)間延遲為3.4 μs——遠(yuǎn)低于很 多IGBT的短路時(shí)間常數(shù)。類似的時(shí)序同樣適用于采用AD7403以 及ADSP-CM408F處理器上集成式過(guò)載檢測(cè)sinc濾波器的電機(jī)相位 電流檢測(cè)。采用時(shí)間常數(shù)為3 μs左右的sinc濾波器可良好運(yùn)作。8 在這種情況下，其余系統(tǒng)延遲的原因僅會(huì)是跳變信號(hào)內(nèi)部路由 至PWM單元以及存在柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲，因?yàn)檫^(guò)載sinc濾波器 是處理器的內(nèi)部元件。連同電流檢測(cè)電路或快速數(shù)字濾波器的 反應(yīng)時(shí)間，無(wú)論使用何種方法，兩種情況下的ADuM4135超短傳播延遲對(duì)實(shí)現(xiàn)有效的快速過(guò)流保護(hù)非常重要。圖6顯示了硬件跳 變信號(hào)、PWM輸出信號(hào)和其中一個(gè)逆變器臂的上方IGBT實(shí)際柵 極-發(fā)射極波形之間的延遲。圖中可以看到，IGBT開(kāi)始關(guān)斷后的 總延遲約為100 ns。

　　圖6. 過(guò)流關(guān)斷時(shí)序延遲（通道1：柵極-發(fā)射極電壓10 V/div；通道2：來(lái)自 控制器的PWM信號(hào)5 V/div；通道3：低電平有效跳變信號(hào)5 V/div；100 ns/div）

　　柵極驅(qū)動(dòng)器去飽和檢測(cè)比上文描述的過(guò)流檢測(cè)方法執(zhí)行速度快 得多，且對(duì)于限制短路電流所允許上升的上限很重要，從而提 升了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，并超過(guò)了可以實(shí)現(xiàn)的水準(zhǔn)，哪怕系統(tǒng) 帶有快速過(guò)流保護(hù)功能。這顯示在圖7中。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電 流快速上升——事實(shí)上，電流遠(yuǎn)高于圖中所示，因?yàn)閳D中以帶 寬限制20 A電流探針進(jìn)行測(cè)量，僅供參考。去飽和電壓達(dá)到9 V 跳變電平，柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始關(guān)斷。顯然，短路的整個(gè)持續(xù)時(shí)間 不足400 ns。電流的長(zhǎng)尾表示下方IGBT反并聯(lián)二極管中的續(xù)流導(dǎo) 致的感應(yīng)電能。開(kāi)啟時(shí)，去飽和電壓的初始增加是雜散去飽和 檢測(cè)電動(dòng)勢(shì)的一個(gè)例子，這是由于集電極-發(fā)射極電壓瞬態(tài)所導(dǎo) 致?？梢酝ㄟ^(guò)增加去飽和濾波器時(shí)間常數(shù)，從而增加額外的消 隱時(shí)間而消除。

　　圖7. IGBT短路檢測(cè)

　　圖8. IGBT短路關(guān)斷

　　圖8顯示了IGBT上的集電極-發(fā)射極電壓。由于去飽和保護(hù)期 間，關(guān)斷的阻抗較大，因此初始受控過(guò)沖約為320 VDC總線電壓 以上80 V。電流在下游反并聯(lián)二極管中流動(dòng)，而電路寄生實(shí)際上 使得電壓過(guò)沖略高，最高約為420 V。

　　圖9. 開(kāi)啟時(shí)的米勒箝位 通道1：柵極-發(fā)射極電壓5 V/div；通道2：來(lái)自控 制器的PWM信號(hào)5 V/div；通道3：集電極-發(fā)射極電壓100 V/div；200 ns/div

　　圖9顯示了正常工作時(shí)，米勒箝位防止逆變器直通的價(jià)值。

　　小結(jié)

　　隨著IGBT的短路耐受時(shí)間下降至1 μs的水平，在極短的時(shí)間內(nèi)檢 測(cè)并關(guān)斷過(guò)流和短路正變得越來(lái)越重要。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可靠 性與IGBT保護(hù)電路有很大的關(guān)系。本文羅列了一些處理這個(gè)問(wèn) 題的方法，并提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了穩(wěn)定隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC （比如ADI公司的ADuM4135）的價(jià)值。