Dara O’Sullivan 應(yīng)用工程師 ADI公司

摘要

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動的整個市場趨勢是對更高效率以及可靠性和穩(wěn)定性的要求不斷提高。功率半導(dǎo)體器件制造商不斷在導(dǎo)通損耗和開關(guān)時間上尋求突破。有關(guān)增加絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)導(dǎo)通損耗的一些權(quán)衡取舍是：更高的短路電流電平、更小的芯片尺寸，以及更低的熱容量和短路耐受時間。這凸顯了柵極驅(qū)動器電路以及過流檢測和保護(hù)功能的重要性。本文討論現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動中成功可靠地實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的問題，同時提供三相電機(jī)控制應(yīng)用中隔離式柵極驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)性示例。

工業(yè)環(huán)境中的短路

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的工作環(huán)境相對惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線路瞬變、機(jī)械過載、接線錯誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事件可能會導(dǎo)致較大的過流流入電機(jī)驅(qū)動器的功率電路中。圖1顯示了三種典型的短路事件。

它們是：

1. 逆變器直通。這可能是由于不正確開啟其中一條逆變器橋臂的兩個IGBT所導(dǎo)致的，而這種情況又可能是因?yàn)樵馐芰穗姶鸥蓴_或控制器故障。它也可能是因?yàn)楸凵系钠渲幸粋€IGBT磨損/故障導(dǎo)致的，而正常的IGBT保持開關(guān)動作。

2. 相對相短路。這可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

3. 相線對地短路。這同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

一般而言，電機(jī)可在相對較長的時間內(nèi)(毫秒到秒，具體取決于電機(jī)尺寸和類型)吸收極高的電流；然而，IGBT——工業(yè)電機(jī)驅(qū)動逆變器級的主要部分——短路耐受時間為微秒級。

IGBT短路耐受能力

IGBT短路耐受時間與其跨導(dǎo)或增益以及IGBT芯片熱容量有關(guān)。更高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流更高，因此顯然增益較低的IGBT具有較低的短路電平。然而，較高增益同樣會導(dǎo)致較低的通態(tài)導(dǎo)通損耗，因而必須作出權(quán)衡取舍。

IGBT技術(shù)的發(fā)展正在促成增加短路電流電平，但降低短路耐受時間這一趨勢。此外，技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致使用芯片尺寸更小，縮小了模塊尺寸，但降低了熱容量，以至耐受時間進(jìn)一步縮短。另外，還與IGBT集電極-發(fā)射極電壓有很大關(guān)系，因而工業(yè)驅(qū)動趨向更高直流總線電壓電平的并行趨勢進(jìn)一步縮減了短路耐受時間。過去，這一時間范圍是10 μs，但近年來的趨勢是在往5 μs3以及某些條件下低至1 μs方向發(fā)展。4 此外，不同器件的短路耐受時間也有較大的不同，因此對于IGBT保護(hù)電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時間的額外裕量。

IGBT過流保護(hù)

無論出于財產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對過流條件的IGBT保護(hù)都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個驅(qū)動出現(xiàn)故障。5 過流保護(hù)一般通過電流測量或去飽和檢測來實(shí)現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。對于電流測量而言，逆變器臂和相位輸出都需要諸如分流電阻等測量器件，以便應(yīng)付直通故障和電機(jī)繞組故障?？刂破骱?或柵極驅(qū)動器中的快速執(zhí)行跳變電路必須及時關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時間。這種方法的最大好處是它要求在每個逆變器臂上各配備兩個測量器件，并配備一切相關(guān)的信號調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負(fù)直流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。然而，在很多情況下，驅(qū)動架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機(jī)過流保護(hù)；它們同樣可能用于IGBT過流保護(hù)——前提是信號調(diào)理的響應(yīng)時間足夠快，可以在要求的短路耐受時間內(nèi)保護(hù)IGBT。

去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測電路的監(jiān)控；正常工作時，集電極-發(fā)射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。

然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動IGBT退出飽和區(qū)并進(jìn)入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示柵極-發(fā)射極電壓過低，且IGBT未完全驅(qū)動至飽和區(qū)。進(jìn)行去飽和檢測部署時需仔細(xì)，以防誤觸發(fā)。這尤其可能發(fā)生在IGBT尚未完全進(jìn)入飽和狀態(tài)時，從IGBT關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到IGBT導(dǎo)通狀態(tài)期間。消隱時間通常在開啟信號和去飽和檢測激活時刻之間，以避免誤檢。通常還會加入電流源充電電容或RC濾波器，以便在檢測機(jī)制中產(chǎn)生短暫的時間常數(shù)，過濾噪聲拾取導(dǎo)致的濾波器雜散跳變。選擇這些濾波器元件時，需在噪聲抗擾度和IGBT短路耐受時間內(nèi)作出反應(yīng)這兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。

檢測到IGBT過流后，進(jìn)一步的挑戰(zhàn)便是關(guān)閉處于不正常高電流電平狀態(tài)的IGBT。正常工作條件下，柵極驅(qū)動器設(shè)計為能夠盡可能快速地關(guān)閉IGBT，以便最大程度降低開關(guān)損耗。這是通過較低的驅(qū)動器阻抗和柵極驅(qū)動電阻來實(shí)現(xiàn)的。如果針對過流條件施加同樣的柵極關(guān)斷速率，則集電極-發(fā)射極的di/dt將會大很多，因?yàn)樵谳^短的時間內(nèi)電流變化較大。由于線焊和PCB走線雜散電感導(dǎo)致的集電極-發(fā)射極電路寄生電感可能會使較大的過壓電平瞬間到達(dá)IGBT(因?yàn)閂LSTRAY = LSTRAY × di/dt)。因此，在去飽和事件發(fā)生期間，關(guān)斷IGBT時，提供阻抗較高的關(guān)斷路徑很重要，這樣可以降低di/dt以及一切具有潛在破壞性的過壓電平。除了系統(tǒng)故障導(dǎo)致的短路，瞬時逆變器直通同樣會發(fā)生在正常工作條件下。此時，IGBT導(dǎo)通要求IGBT驅(qū)動至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導(dǎo)通損耗最低。這通常意味著導(dǎo)通狀態(tài)時的柵極-發(fā)射極電壓大于12 V。IGBT關(guān)斷要求IGBT驅(qū)動至工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導(dǎo)通時成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講，可以通過使IGBT柵極-發(fā)射極電壓下降至0 V實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。但是，必須考慮逆變器臂上低端晶體管導(dǎo)通時的副作用。導(dǎo)通時開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速變化導(dǎo)致容性感應(yīng)電流流過低端IGBT寄生密勒柵極-集電極電容(圖3中的CGC)。該電流流過低端柵極驅(qū)動器(圖3中的ZDRIVER)關(guān)斷阻抗，在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個瞬變電壓增加，如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上，則會導(dǎo)致低端IGBT的短暫導(dǎo)通，從而形成瞬態(tài)逆變器臂直通——因?yàn)閮蓚€IGBT都短暫導(dǎo)通。這一般不會破壞IGBT，但卻能增加功耗，影響可靠性。

一般而言，有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問題——使用雙極性電源和/或額外的米勒箝位。在柵極驅(qū)動器隔離端接受雙極性電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，–7.5 V負(fù)電源軌表示需要大于8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變才能感應(yīng)雜散導(dǎo)通。 這足以防止雜散導(dǎo)通。另一種方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換后的一段時間內(nèi)降低柵極驅(qū)動器電路的關(guān)斷阻抗。這稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路，隨后降低電壓瞬變的幅度。針對導(dǎo)通與關(guān)斷采用非對稱柵極電阻，便可為開關(guān)速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動器功能都對整個系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。

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，0.5 HP感應(yīng)電機(jī)由開環(huán)V/Hz控制驅(qū)動。IGBT采用International Rectifier提供的1200 V、30 A IRG7PH46UDPBF?？刂破鞑捎?a target='_blank' class='arckwlink_none'>ADI的ADSP-CM408F Cortex?-M4F混合信號處理器。使用隔離式Σ-Δ AD7403調(diào)制器進(jìn)行相位電流測量，使用ADuM4135實(shí)現(xiàn)隔離式柵極驅(qū)動(它是一款磁性隔離式柵極驅(qū)動器產(chǎn)品，集成去飽和檢測、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)直流總線之間手動開關(guān)短路，進(jìn)行短路測試。 本例中未測試短路至地。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。

實(shí)驗(yàn)硬件中，通過多種方法實(shí)現(xiàn)IGBT過流和短路保護(hù)。它們分別是：

* 直流總線電流檢測(逆變器直通故障)
* 電機(jī)相位電流檢測(電機(jī)繞組故障)
* 柵極驅(qū)動器去飽和檢測(所有故障)

對于直流總線電流檢測電路，必須加一個小型濾波器，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時間常數(shù)的RC濾波器。檢測到過流后，其余有關(guān)IGBT關(guān)斷的延遲是通過運(yùn)算放大器、比較器、信號隔離器、ADSP-CM408F中的跳變響應(yīng)時間，以及柵極驅(qū)動器傳播延遲。這會額外增加0.4 μs，使得故障至關(guān)斷的總時間延遲為3.4 μs——遠(yuǎn)低于很多IGBT的短路時間常數(shù)。類似的時序同樣適用于采用AD7403以及ADSP-CM408F處理器上集成式過載檢測sinc濾波器的電機(jī)相位電流檢測。采用時間常數(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)延遲的原因僅會是跳變信號內(nèi)部路由至PWM單元以及存在柵極驅(qū)動器傳播延遲，因?yàn)檫^載sinc濾波器是處理器的內(nèi)部元件。連同電流檢測電路或快速數(shù)字濾波器的反應(yīng)時間，無論使用何種方法，兩種情況下的ADuM4135超短傳播延遲對實(shí)現(xiàn)有效的快速過流保護(hù)非常重要。圖6顯示了硬件跳變信號、PWM輸出信號和其中一個逆變器臂的上方IGBT實(shí)際柵極-發(fā)射極波形之間的延遲。圖中可以看到，IGBT開始關(guān)斷后的總延遲約為100 ns。

柵極驅(qū)動器去飽和檢測比上文描述的過流檢測方法執(zhí)行速度快得多，且對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，并超過了可以實(shí)現(xiàn)的水準(zhǔn)，哪怕系統(tǒng)帶有快速過流保護(hù)功能。這顯示在圖7中。當(dāng)發(fā)生故障時，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)行測量，僅供參考。去飽和電壓達(dá)到9 V跳變電平，柵極驅(qū)動器開始關(guān)斷。顯然，短路的整個持續(xù)時間不足400 ns。電流的長尾表示下方IGBT反并聯(lián)二極管中的續(xù)流導(dǎo)致的感應(yīng)電能。開啟時，去飽和電壓的初始增加是雜散去飽和檢測電動勢的一個例子，這是由于集電極-發(fā)射極電壓瞬態(tài)所導(dǎo)致。可以通過增加去飽和濾波器時間常數(shù)，從而增加額外的消隱時間而消除。

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，而電路寄生實(shí)際上使得電壓過沖略高，最高約為420 V。

圖9顯示了正常工作時，米勒箝位防止逆變器直通的價值。

小結(jié)

隨著IGBT的短路耐受時間下降至1 μs的水平，在極短的時間內(nèi)檢測并關(guān)斷過流和短路正變得越來越重要。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動的可靠性與IGBT保護(hù)電路有很大的關(guān)系。本文羅列了一些處理這個問題的方法，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)動器IC (比如ADI公司的ADuM4135)的價值。

作者簡介

Dara O’Sullivan是ADI公司電機(jī)與功率控制部門的一名系統(tǒng)應(yīng)用工程師。其專長領(lǐng)域是交流電機(jī)控制應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換和控制。Dara擁有愛爾蘭科克大學(xué)工程學(xué)士、工程碩士和博士學(xué)位。

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