保护功能移至片上可提升低成本电机驱动性能

发布时间：2007-01-01 作者：IR 公司运动控制产品经理,Naresh Shetty

　　低成本，低功耗
　　目前小型交流电机调速驱动多选用高档保护元件以避免IGBT出现过流损坏，并大量应用于节能型家用电器和低于5kW的工业驱动等。以高压集成电路（HVIC）技术为关键手段，就能以低端产品和消费品的价格为需要高集成度的应用提供同样特性。
　　过流和分立保护
　　IGBT为高能效调速电机驱动提供了可靠而便捷的应用基础，但是过流也是这类设备潜在的致命问题。IGBT的过流状态大致源于以下三种故障，即相间短路，对地短路和桥臂贯通，如图1a，1b，1c所示。相间短路可能由接线错误，电机引线短路，或者电机相间绝缘击穿等原因产生。对地短路故障是电机出现对地绝缘击穿的结果。最后一种故障，即桥臂贯通过流，是IGBT误导通的结果。
         

　　适用于上述所有故障态的传统保护方案往往由分立传感器和模拟元件等构成的硬件方法实现，例如，为防止相间短路和桥臂贯通，通常会利用串入直流母线负端的霍耳效应传感器或者接有线性光电隔离器件的分流电阻等检测过流状态。另外，为提供对地短路故障保护，需要在交流输入线或者直流母线正端放置一个额外的霍耳效应漏电流传感器。保护电路可以用高速比较器实现，但是出现相间短路状况时，由于电流方向可能为正向，也可能为负向，因此如果霍耳效应传感器位于电机相线输出侧，则每个传感器都需要配备两个比较器。
　　总之，保护电路的实际材料清单中会包含两个霍耳效应传感器或者线性光电隔离器件，外加两个比较器，以及电压基准，电阻电容等，每个霍耳效应传感器还各自需要一路单独的隔离电源。用于栅极驱动的光电隔离器件和霍耳效应传感器通常会在关断通道中引入2ms以上的延时，设计人员在选择IGBT的死区持续时间时，必须考虑这一延时。
　　另外，也可以改用抗饱和电路来保护IGBT。该电路检测IGBT完全导通时在集电极和发射极之间产生的压降，如果压降超过特定门限，抗饱和电路就会关断相应的栅极驱动信号。一个由分立元件构成的抗饱和电路需要一个比较器和电压基准，一个高压二极管，以及电阻电容等。
　　无论采用何种方法，如此复杂的保护功能所需的材料消耗和装配成本已注定其不适于成本敏感的应用。如果还需要可以为反向偏置安全工作区（RBSOA）提供更大安全余量的软关断（SSD）功能，则要额外增加六个光电隔离器件和六个具备延缓关断能力的缓冲电路。
　　HVIC：片上保护
　　如今，高压集成电路（HVIC）技术可以提供单芯片电流传感解决方案，而且也可以在IGBT栅极驱动器中集成保护电路。
　　例如，IR公司最近推出的一系列的单芯片HVIC器件，将CMOS电路与600V或1200V的N沟道和P沟道LDMOS组合在一起，从而可以从低电压向高电压进行电平转换，反之亦然。这样CMOS电路就能够基于高压浮动电源的电平进行高端栅极驱动和信号处理，其浮动能力允许处理共模电压高达600V或1200V的差模信号。
　　作为这类HVIC的一员，IR22381Q集成了全部六个IGBT栅极驱动器以及包括SSD功能的完整IGBT保护。IR22381Q是带有泄放驱动的三相全桥驱动器，其特性包括满度为200mA/300mA的轨到轨输出级，所有电源线都具有欠压锁定功能，可以在上电和下电时提供片上保护，以避免桥臂贯通电流和器件失效。并且所有六个通道都具有可处理相间短路状况的抗饱和检测功能。SSD功能可通过一个专用引脚支持自定义关断模式。
　　软开通功能可以限制电压和电流尖峰，降低电磁干扰，且IR所有HVIC栅极驱动器的dV/dt抗扰动能力可高达50V/ns，并能够耐受瞬态负电压。每个输出驱动都具备高脉冲电流缓冲级，以尽可能减小驱动串扰。输入则采用带下拉的施密特触发器，以获得抗噪声扰动能力并确保MOSFET或IGBT不出现误导通。极低的静态电流有利于自举供电，此外还具有可编程死区时间。
　　因而，该技术可以节省六个分立的光电隔离器件，两个霍耳效应传感器和两个比较器，以及其它附加电路，包括分立的缓冲电路或SSD电路及泄放IGBT驱动电路等。实施分立方案时，泄放电路通常还需要一个附加的光电隔离器件。由于IR22381Q允许自举供电，因而该方法也可以省去四组浮动电源。HVIC技术将所有这些功能都固化于一片单一的单片器件中，可以显著减少设计难度，原材料开销，设备外形尺寸和制造时间，并能提高可靠性。
　　图2a表示了这种HVIC的一个应用电路，其中整合了三相栅极驱动，并且每个高端和低端输出都有IGBT抗饱和保护。图2b也表示了该芯片中抗饱和检测（DSD）功能的内部电路。最大高端浮动电压可以高达600V到1200V。通过一枚外接二极管检测IGBT导通时集电极到发射极的压降VCE，再与一个固定的8V门限相比较，就可以实现过流检测，检测结果带有1ms延时，此外，3ms的闭锁延时也可以避免IGBT开通延迟对过流检测的影响。
        
　　一旦出现过饱和状态，输出级立即进入高阻态，并激活SSD驱动，通过SSDH/L引脚以适当的驱动阻抗关断IGBT。SSD过程会保持7ms，以便在高集电极电流水平下，平滑释放IGBT栅极电荷。外接一枚电阻至SSD专用引脚，与75Ω内部电阻串联，可控制放电阻抗。
       短路信息可以通过输入输出引脚SY_FLT与其它高端或低端驱动共享，这样一来，主驱动－用于短路检测－就能通过该局部网络与其它驱动通讯。短路信号一旦激活，将冻结其它所有驱动的输出状态，并忽略任何输入状态，主驱动也将冻结自身状态直到产生SSD过程。
　　软关断过程结束后，SY_FLT信号失效，并通过FAULT/SD引脚向主控制器发送诊断信息。此后，主驱动拉低FAULT/SD引脚，强制产生硬关断。通过FAULT/SD引脚，可以关断局部网络中的其它所有驱动，并向主控制器报告故障状态，以利于故障诊断。
　　要检测IGBT过饱和，通过一枚外接高压二极管读取集电极电压，该二极管通常由接在局部电源线（VB或VCC）上的内部上拉电阻提供偏置，IGBT导通时，二极管也导通，其间流过的电流大小取决于内部上拉电阻值。
　　在高端电路中，抗饱和电路的偏置电流可能与自举电容的大小有关，过低的阻值会导致高电流并加剧自举电容放电，为此，典型上拉电阻在100kΩ左右，这正是内部上拉值。
       由于IGBT导通时DSH/DSL引脚阻抗很低（由外接二极管到IGBT为低阻抗通道），因而上拉电阻只能在IGBT关断时控制该引脚阻抗。如果那样，IGBT输出端在换流过程中产生的相应dV/dt会通过二极管的杂散电容，向抗饱和检测引脚（DSH/L）注入相当可观的电流。为检测二极管提供有源偏置，有可能大大降低这种耦合噪声。
　　DSH/L引脚具备有源偏置结构。DSH/L引脚拥有分别对应于VB/VCC的有源上拉和分别对应于VS/COM的有源下拉。这种专用偏置电路能够在电压超过VDESAT门限时降低DSH/L引脚阻抗，低阻抗有利于抑制噪声，避免通过寄生电容注入电流。当IGBT完全导通时，检测二极管为正向偏置，DSH/L引脚电压降低。就这一点而言，钝化偏置电路可以达到降低二极管偏置电流的目的。
　　IR22318Q为采用400V三相交流供电（550V直流母线），驱动功率可高达10～15HP的交流感应电机驱动和无刷直流/交流电机驱动以及更广泛的通用驱动提供了一种适宜的单芯片IGBT驱动解决方案。
　　如欲查询本文的更多相关信息，请访问www.irf.com.cn/contact与我们联系。