图 1 显示了交流电机控制单元中功率变换器的典型框图。它由一个逆变器组成，该逆变器将直流母线电压转换为可变频率的交流电，以驱动电机。IGBT 是构成逆变器核心的昂贵功率开关。这些功率器件必须在高频下工作，并能够承受高电压。
隔离放大器（例如图 1 中所示的 ACPL-C79A，参见插图）与分流电阻器配合使用，即使在高开关噪声的情况下也能在功率变换器中提供精确的电流测量。当与电阻分压器一起使用时，隔离放大器充当精密电流传感器，用于监测直流母线电压。来自隔离放大器的电流和电压信息由微控制器采集，微控制器利用这些数据计算返回值和输出信号，从而实现对功率变换器的有效控制和故障处理。
故障保护要求：
在逆变器中，IGBT 是最昂贵的元件，因此提供尽可能强的保护以防止潜在损坏至关重要。隔离放大器能够快速检测故障情况，而微控制器执行的算法可以防止这些情况导致 IGBT 损坏。此外，放大器中的光隔离可以防止故障情况导致微控制器过载并损坏。
然而，IGBT保护必须经济高效——市场持续要求IGBT在故障情况下获得充分的保护，同时价格又不能显著增加电机控制系统的总成本。为了满足这一需求，除了控制和检测功能外，还引入了具有保护功能的IGBT栅极电路驱动器（例如ACPL-332J [1]）和用于关键故障检测的电流传感器。这些产品为实现IGBT保护提供了一种经济高效的方案，并且无需单独的检测和反馈组件。有关集成在栅极电路驱动器中的保护功能以及如何实现这些保护功能的详细信息，请参阅参考文献[1]和[2]。本文的其余部分将重点介绍一些可以使用电流/电压传感器实现的故障保护功能，如表1所示。.
过电流检测：
IGBT 的过电流情况可能由相间短路、线对地短路或短路电流引起。隔离放大器输出相和直流母线上的并联电流检测装置除了测量电流外，还提供故障检测功能（见图 1）。常用 IGBT 的短路存活时间额定值最高为 10 ms [3, 4]。为确保有效保护，不得超过此限值。在此限值内，必须检测到故障，并将故障信息反馈给控制器，且必须在此时间范围内完成关断程序。为满足此要求，隔离放大器采用不同的方法。
例如，ACPL-C79A 对阶跃输入信号具有 1.6 µs 的快速响应时间。这使得放大器能够捕捉短路和过载条件下的瞬态信号（参见图 2）[5]。从输入信号到输出信号的中点传播延迟仅为 2 µs，而输出信号仅需 2.6 µs 即可赶上输入信号，达到最终电平的 90%。
除了快速响应时间外，ACPL-C79A 还提供 ±1% 的增益精度、0.05% 的优异非线性以及 60 dB 的信噪比 (SNR)。此外，还有增益精度更高的 ACPL-C79B（±0.5%）和增益容差为 ±3% 的 ACPL-C790 可供选择。 ACPL-C79A 系列所有器件均通过认证，可承受 1230 V 的峰值绝缘电压，并能抑制高达 15 kV/µs 的共模瞬态噪声。这些特性集成于 SO-8 封装中，其尺寸比标准 DIP-8 封装小 30%。
另一个例子是HCPL-788J，它采用了不同的方法来实现过电流检测的快速响应（图3）[6, 7]。除了输出信号部分外，它还具有一个故障信号部分，该部分能够快速地从高电平切换到低电平，以指示过电流情况。这种隔离放大器可提供±3%的测量精度。.
在故障反馈设计中，必须解决的一个问题是干扰跳闸。干扰跳闸是指在没有明显故障（可能损坏IGBT）的情况下，故障检测误触发。为了防止误报，HCPL-788J配备了脉冲鉴别器电路，可有效抑制di/dt和dv/dt故障的影响。该方法的优势在于抑制效果与幅值无关，这意味着可以在不增加干扰跳闸风险的情况下，将故障阈值设置得更低。.
在快速故障检测电路的实现中，故障检测模块中使用了两个比较器来检测负故障阈值和正故障阈值。开关阈值等于256 mV的Σ-Δ调制器参考电压。这些比较器的输出连接到抑制周期为2 ms的抑制滤波器，然后发送到编码器模块。
为了确保故障状态能够尽快跨越隔离边界传输，电路使用了两个独特的数字编码序列来表示故障状态：一个编码用于负故障电平，另一个编码用于正故障电平。当检测到故障时，通过光通道的正常数据传输将被中断，比特流将被故障码替换。这两个故障码与正常编码模式存在显著差异，因此在检测器端，解码器能够立即将这些代码识别为故障状态[7]。
解码器检测并传递隔离边界两侧的故障信息所需时间约为 1 毫秒。将 400 纳秒的延迟添加到抗混叠滤波器后，传播延迟为 1.4 毫秒。故障事件发生到故障输出信号之间的延迟是传播延迟和抑制期（2 毫秒）之和，因此总故障检测时间为 3.4 毫秒（参见图 4）。
故障输出干线允许将来自多个设备的故障信号连接在一起，从而可以将多个部件连接起来（或连接）以生成单个故障信号（参见图 5 右上角）[6]。然后，该信号可用于通过控制器直接禁用 PWM 输入。
过载检测
过载情况是指电机电流超过设备的额定电流的情况，但还不足以使变频器或电机立即面临故障危险，例如，电机机械过载或由于轴承故障导致电机堵转的情况。
逆变器通常除了额定功率外，还会标明过载能力。允许的过载持续时间取决于过热问题出现之前的时间间隔。典型的过载能力是额定负载的150%，持续时间最长可达一分钟。.
ACPL-C79A 可接受 ±300 mV 的全输入范围，其数据手册规格基于 ±200 mV 的标称输入范围。设计人员可以灵活地选择过载阈值，将其设置为上述任一值或介于两者之间的某个值。如果阈值接近 300 mV 时，过载电流测量的精度与正常工作电流的精度相比要求较低（这种情况很常见），则这是一个不错的选择，因为它可以充分利用隔离放大器的输入动态范围。然而，将阈值设置为 200 mV 可以确保过载电流测量的精度。确定电压值后，设计人员必须根据相应的电流值选择合适的检测电阻值。.
HCPL-788J 包含一项附加功能——ABSVAL 输出，可用于简化过载检测电路。ABSVAL 电路对输出信号进行整流，根据以下公式提供与输入信号绝对值成比例的输出信号：
ABSVAL = |ENT V| *REF V,EXT / 252mV
该输出也可以进行接线（可进行“或”运算）。当电机输出的三个正弦相位组合在一起时，整流后的输出（ABSVAL）本质上是一个直流信号，代表电机的有效值电流。该直流信号和一个阈值比较器可以指示电机过载情况，从而在电机或控制器损坏之前发出警报（参见图 5 右下角）。.
过压检测：
直流母线电压也必须持续受到控制。在某些运行条件下，电机可能充当发电机，通过逆变器的电源和/或恢复二极管向直流母线返回高电压。该高电压叠加到直流电压上，形成施加在IGBT上的极高尖峰电压。该尖峰电压可能超过IGBT的最大集电极-发射极电压，从而造成损坏。
微型隔离放大器（ACPL-C79A）常用作直流母线控制应用中的电压传感器（图 6）。设计人员必须通过根据适当的比例选择 R1 和 R2 的值来降低直流母线电压，使其与隔离放大器的输入范围相匹配。.
总之，
Avago Technologies 的隔离放大器除了具备电流/电压检测功能外，还能有效保护 IGBT 免受过流、过载和过压的影响。结合这些器件和 ACPL-332J 等多功能栅极驱动器，可以轻松实现经济高效且全面的 IGBT 保护方案。
作者：
作者：陈宏磊，Avago Technologies 产品经理
参考
1. ACPL-332J 数据手册，Avago Technologies，AV02-0120EN。2.
Hong Lei Chen 和 Chun Keong Tee，“在 IGBT 保护中使用栅极驱动光耦合器”，EETimes Europe，2010 年 12 月，第 28-31 页。3
. Terje Rogne，“IGBT (COMFET) 晶体管的短路能力”，IEEE，1988 年
。4. J. Li、R. Herzer、R. Annacker 和 B. Koenig，“用于 1200V 应用的现代 IGBT/FWD 芯片组”，Semikron Elektronik GmbH，2007 年
。5. ACPL-C79B、ACPL-C79A、ACPL-C790 精密微型隔离放大器数据手册，Avago Technologies，AV02-2460EN。
6. HCPL-788J 数据手册，Avago Technologies，AV02-1546EN。7
. Patrick Sullivan，Denis Kobasevic，“用于电机驱动控制的智能电流传感器”。PCIM Europe，1998 年，第 10 卷第 4 期，第 182-186 页。
