工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的全部市場(chǎng)前景是對(duì)更效率高及其可信性和可靠性的規(guī)定持續(xù)提升，輸出功率半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)商持續(xù)在通斷耗損和定時(shí)開關(guān)上尋找提升。相關(guān)提升絕緣層?xùn)艠O雙旋光性晶體三極管(IGBT)通斷耗損的一些衡量選擇是：高些的短路容量脈沖信號(hào)、更小的芯片尺寸，及其更低的熱導(dǎo)率和短路故障承受時(shí)間。這突顯了柵極控制器電源電路及其過電流檢驗(yàn)和維護(hù)作用的必要性。
今日大家會(huì)探討當(dāng)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中取得成功靠譜地完成過流保護(hù)的難題，另外出示三相電機(jī)操縱運(yùn)用中防護(hù)式柵極控制器的試驗(yàn)性實(shí)例。
工業(yè)生產(chǎn)自然環(huán)境中的短路故障
工業(yè)電機(jī)控制器的辦公環(huán)境相對(duì)性極端，很有可能出現(xiàn)高溫、溝通交流路線瞬變、機(jī)械設(shè)備負(fù)載、布線不正確及其其他突發(fā)性狀況。在其中一些惡性事件很有可能會(huì)造成 很大的過電流注入直流伺服電機(jī)的輸出功率電源電路中。圖1顯示信息了三種典型性的短路故障惡性事件。
工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中三種典型性的短路故障惡性事件：
逆變電源直達(dá)。這可能是因?yàn)橛姓`打開在其中一條逆變電源橋臂的2個(gè)IGBT所造成 的，而這類狀況又很有可能是由于遭到了干擾信號(hào)或控制板常見故障。它也很有可能是由于臂上的在其中一個(gè)IGBT損壞/常見故障造成 的，而一切正常的IGBT維持電源開關(guān)姿勢(shì)。
相對(duì)性相短路故障。這很有可能是由于特性降低、溫度過高或過壓惡性事件造成 電機(jī)繞組中間產(chǎn)生絕緣層穿透所造成的。
火線零線對(duì)地短路故障。這一樣很有可能是由于特性降低、溫度過高或過壓惡性事件造成 電機(jī)繞組和電機(jī)風(fēng)罩中間產(chǎn)生絕緣層穿透所造成的。
一般而言，電動(dòng)機(jī)可在相對(duì)性較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(ms到秒，實(shí)際在于電動(dòng)機(jī)規(guī)格和種類)消化吸收非常高的電流量；殊不知，IGBT——工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器逆變電源級(jí)的關(guān)鍵一部分——短路故障承受時(shí)間為分秒級(jí)。
IGBT短路故障承受工作能力
IGBT短路故障承受時(shí)間兩者之間跨導(dǎo)或增益值及其IGBT集成ic熱導(dǎo)率相關(guān)。高些的增益值造成 IGBT內(nèi)的短路容量高些，因而顯而易見增益值較低的IGBT具備較低的短路故障脈沖信號(hào)。殊不知，較功率放大一樣會(huì)造成 較低的通態(tài)通斷耗損，因此務(wù)必做出衡量選擇。
IGBT技術(shù)性的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)促使提升短路容量脈沖信號(hào)，但減少短路故障承受時(shí)間這一發(fā)展趨勢(shì)。除此之外，技術(shù)性的發(fā)展造成 應(yīng)用芯片尺寸更小，變小了控制模塊規(guī)格，但減少了熱導(dǎo)率，以致承受時(shí)間進(jìn)一步減少。此外，還與IGBT集電結(jié)-發(fā)射極工作電壓有非常大關(guān)聯(lián)，因此工業(yè)生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)器趨于高些直流電總相電壓脈沖信號(hào)的并行處理發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步減縮了短路故障承受時(shí)間。以往，這一時(shí)間范疇是10μs，但近些年的發(fā)展趨勢(shì)是在往5μs及其一些標(biāo)準(zhǔn)下低至1μs方位發(fā)展趨勢(shì)。除此之外，不一樣元器件的短路故障承受時(shí)間也是有很大的不一樣，因而針對(duì)IGBT維護(hù)電源電路來講，一般 提議內(nèi)建超過額定值短路故障承受時(shí)間的附加裕量。
IGBT過電流保護(hù)
不管出自于經(jīng)濟(jì)損失還是安全性層面的考慮，對(duì)于過電流標(biāo)準(zhǔn)的IGBT維護(hù)全是可靠性指標(biāo)的根本所在。IGBT并不是是一種故障安全元器件，他們?nèi)舫霈F(xiàn)常見故障則很有可能造成 直流電系統(tǒng)總線電容器發(fā)生爆炸，并使全部驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)常見故障。過電流保護(hù)一般通過電流量精確測(cè)量或去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)來完成。
針對(duì)電流量精確測(cè)量來講，逆變電源臂和相位差輸出都必須例如分離電阻器等精確測(cè)量元器件，便于應(yīng)對(duì)直達(dá)常見故障和電機(jī)繞組常見故障?？刂瓢搴?或柵極控制器中的迅速實(shí)行振蕩電源電路務(wù)必立即關(guān)閉IGBT，避免超過短路故障承受時(shí)間。這類方式 的較大 益處是它規(guī)定在每一個(gè)逆變電源臂上各配置2個(gè)精確測(cè)量元器件，并配置一切有關(guān)的脈沖調(diào)制和防護(hù)電源電路。只需要在正直流電系統(tǒng)總線路線和負(fù)直流電系統(tǒng)總線路線上加上分離電阻器就可以減輕這類狀況。殊不知，在許多狀況下，驅(qū)動(dòng)器構(gòu)架中要不存有臂分離電阻器，要不存有相位差分離電阻器，便于為電流量操縱環(huán)路服務(wù)項(xiàng)目，并出示電動(dòng)機(jī)過電流保護(hù)；他們一樣很有可能用以IGBT過電流保護(hù)——前提條件是脈沖調(diào)制的響應(yīng)速度充足快，能夠在規(guī)定的短路故障承受時(shí)間內(nèi)維護(hù)IGBT。
去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)運(yùn)用IGBT自身做為電流量精確測(cè)量元器件。電路原理圖中的二極管保證IGBT集電結(jié)-發(fā)射極工作電壓在通斷期內(nèi)僅遭受檢驗(yàn)電源電路的監(jiān)管；一切正常工作中時(shí)，集電結(jié)-發(fā)射極工作電壓極低(典型值為1V至4V)。殊不知，假如產(chǎn)生短路故障惡性事件，IGBT集電結(jié)電流量升高到驅(qū)動(dòng)器IGBT撤出飽和狀態(tài)區(qū)并進(jìn)到線形工作區(qū)域的脈沖信號(hào)。這造成 集電結(jié)-發(fā)射極工作電壓迅速上升。所述一切正常工作電壓脈沖信號(hào)能用來表明存有短路故障，而去飽和狀態(tài)振蕩閥值脈沖信號(hào)一般 在7V至9V地區(qū)內(nèi)。關(guān)鍵的是，去飽和狀態(tài)還可表明柵極-發(fā)射極工作電壓過低，且IGBT未徹底驅(qū)動(dòng)器至飽和狀態(tài)區(qū)。開展去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)布署時(shí)要細(xì)心，以防誤觸發(fā)。這特別是在很有可能產(chǎn)生在IGBT并未徹底進(jìn)到飽和時(shí)，從IGBT關(guān)閉情況變換到IGBT通斷情況期內(nèi)。圓化時(shí)間一般 在打開數(shù)據(jù)信號(hào)和去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)激話時(shí)刻中間，以防止誤檢。一般 還會(huì)繼續(xù)添加電流源電池充電電容器或RC過濾器，便于在檢驗(yàn)體制中造成短暫性的穩(wěn)態(tài)值，過慮噪音撿取造成 的過濾器雜散振蕩。挑選這種過濾器元器件時(shí)，需要在噪音抗擾度和IGBT短路故障承受時(shí)間內(nèi)采取行動(dòng)這彼此之間開展衡量。
檢驗(yàn)到IGBT過電流后，進(jìn)一步的挑戰(zhàn)就是關(guān)掉處在異常高電流量脈沖信號(hào)情況的IGBT。一切正常工作中標(biāo)準(zhǔn)下，柵極控制器設(shè)計(jì)方案為可以盡量迅速地關(guān)掉IGBT，便于較大 水平減少開關(guān)損耗。它是根據(jù)較低的控制器特性阻抗和柵極驅(qū)動(dòng)器電阻器來完成的。假如對(duì)于過電流標(biāo)準(zhǔn)釋放一樣的柵極關(guān)閉速度，則集電結(jié)-發(fā)射極的di/dt可能大許多，由于在較短的時(shí)間內(nèi)電流量轉(zhuǎn)變很大。因?yàn)榫€焊和PCB布線雜散電感器造成 的集電結(jié)-發(fā)射極電源電路內(nèi)寄生電感器很有可能會(huì)使很大的過壓電式平一瞬間抵達(dá)IGBT(由于VLSTRAY=LSTRAY×di/dt)。因而，在去飽和狀態(tài)惡性事件產(chǎn)生期內(nèi)，關(guān)閉IGBT時(shí)，出示特性阻抗較高的關(guān)閉途徑很重要，那樣能夠減少di/dt及其一切具備潛在性毀滅性的過壓電式平。
除開系統(tǒng)異常造成 的短路故障，瞬間逆變電源直達(dá)一樣會(huì)產(chǎn)生在一切正常工作中標(biāo)準(zhǔn)下。這時(shí)，IGBT通斷規(guī)定IGBT驅(qū)動(dòng)器至飽和狀態(tài)地區(qū)，在該地區(qū)中導(dǎo)通耗損最少。這一般 代表著通斷情況時(shí)的柵極-發(fā)射極工作電壓超過12V。IGBT關(guān)閉規(guī)定IGBT驅(qū)動(dòng)器至工作中截至地區(qū)，便于在高檔IGBT通斷時(shí)取得成功隔絕兩邊的反方向高電壓。正常情況下講，能夠根據(jù)使IGBT柵極-發(fā)射極工作電壓降低至0V完成該總體目標(biāo)?？墒?，務(wù)必考慮到逆變電源臂上中低端晶體三極管通斷時(shí)的不良反應(yīng)。通斷時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)工作電壓的迅速轉(zhuǎn)變?cè)斐?溶性感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)穿過中低端IGBT內(nèi)寄生密勒柵極-集電結(jié)電容器(圖3中的CGC)。該電流量穿過中低端柵極控制器（圖3中的ZDRIVER）關(guān)閉特性阻抗，在中低端IGBT柵極發(fā)送極端化造就出一個(gè)瞬變工作電壓提升，如下圖所示。假如該工作電壓升高至IGBT閾值電壓VTH之上，則會(huì)造成 中低端IGBT的短暫性通斷，進(jìn)而產(chǎn)生暫態(tài)逆變電源臂直達(dá)——由于2個(gè)IGBT都短暫性通斷。這一般不容易毀壞IGBT，但卻能提升功能損耗，危害可信性。
一般而言，有二種方式 能夠處理逆變電源IGBT的磁感應(yīng)通斷難題——應(yīng)用雙旋光性開關(guān)電源和/或附加的斯泰格箝位。在柵極控制器防護(hù)端接納雙旋光性開關(guān)電源的工作能力為感應(yīng)電壓瞬變出示了附加的裕量。比如，–7.9V負(fù)開關(guān)電源軌表明必須超過8.9V的感應(yīng)電壓瞬變才可以磁感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這得以避免雜散導(dǎo)通。另一種方式 是在進(jìn)行關(guān)閉變換后的一段時(shí)間內(nèi)減少柵極控制器電源電路的關(guān)閉特性阻抗。這稱之為斯泰格箝位電源電路。溶性電流量如今流過較低特性阻抗的電源電路，接著減少工作電壓瞬變的力度。對(duì)于通斷與關(guān)閉選用非對(duì)稱加密柵極電阻器，便能為電源開關(guān)速度操縱出示附加的協(xié)調(diào)能力。全部這種柵極控制器作用都對(duì)全部系統(tǒng)軟件的可信性與高效率有正臉危害。
試驗(yàn)實(shí)例
試驗(yàn)設(shè)定選用三相逆變電源，該逆變電源由溝通交流電壓根據(jù)半波整流器供電系統(tǒng)。盡管系統(tǒng)軟件最大可選用800V的直流電總相電壓，但本例中的直流電總相電壓為320V。一切正常工作中時(shí)，0.5HP感應(yīng)電機(jī)由開環(huán)傳遞函數(shù)V/Hz操縱驅(qū)動(dòng)器。IGBT選用InternationalRectifier出示的1200V、30AIRG7PH46UDPBF?？刂瓢暹x用ADI的ADSP-CM408FCortex?-M4F混和信號(hào)轉(zhuǎn)換器。應(yīng)用防護(hù)式Σ-ΔAD7403解調(diào)器開展相位差電流量精確測(cè)量，應(yīng)用ADuM4135完成防護(hù)式柵極驅(qū)動(dòng)器(它是一款帶磁防護(hù)式柵極控制器商品，集成化去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)、斯泰格箝位和其他IGBT維護(hù)作用)。在電動(dòng)機(jī)相位差中間，或在電動(dòng)機(jī)相位差和負(fù)直流電系統(tǒng)總線中間手動(dòng)式電源開關(guān)短路故障，開展短路故障檢測(cè)。本例中未檢測(cè)短路故障至地。
控制板和電源板如圖所示5所顯示。他們均為ADI企業(yè)的ADSP-CM408FEZ-kit?和EV-MCS-ISOINVEP-Z防護(hù)式逆變電源服務(wù)平臺(tái)。
試驗(yàn)硬件配置中，根據(jù)多種多樣方式 完成IGBT過電流和過流保護(hù)。他們分別是：
直流電系統(tǒng)總線電流量檢驗(yàn)(逆變電源直達(dá)常見故障)
電動(dòng)機(jī)相位差電流量檢驗(yàn)(電機(jī)繞組常見故障)
柵極控制器去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)(全部常見故障)
針對(duì)直流電系統(tǒng)總線電流量檢驗(yàn)電源電路，務(wù)必加一個(gè)中小型過濾器，防止誤開啟，由于直流電系統(tǒng)總線電流量因?yàn)闈撛谛缘母咴胍綦娏髁慷鴷r(shí)斷時(shí)續(xù)。選用具備3μs時(shí)間參量的RC過濾器。檢驗(yàn)到過電流后，其他相關(guān)IGBT關(guān)閉的延遲時(shí)間是根據(jù)運(yùn)放電路、電壓比較器、信號(hào)隔離器、ADSP-CM408F中的振蕩響應(yīng)速度，及其柵極控制器散播延遲時(shí)間。這會(huì)附加提升0.4μs，促使常見故障至關(guān)閉的總延遲時(shí)間為3.4μs——遠(yuǎn)小于許多IGBT的短路故障穩(wěn)態(tài)值。
相近的時(shí)鐘頻率一樣適用選用AD7403及其ADSP-CM408FCPU上集成化負(fù)載檢驗(yàn)sinc過濾器的電動(dòng)機(jī)相位差電流量檢驗(yàn)。選用穩(wěn)態(tài)值為3μs上下的sinc過濾器可優(yōu)良運(yùn)行。在這類狀況下，其他系統(tǒng)軟件延遲時(shí)間的緣故僅會(huì)是振蕩數(shù)據(jù)信號(hào)內(nèi)部路由器至PWM模塊及其存有柵極控制器散播延遲時(shí)間，由于負(fù)載sinc過濾器是CPU的內(nèi)部元器件。連在電流量檢驗(yàn)電源電路或迅速數(shù)字濾波器的反應(yīng)速度，不管應(yīng)用哪種方式 ，二種狀況下的ADuM4135稍短散播延遲時(shí)間對(duì)完成合理的迅速過電流保護(hù)十分關(guān)鍵。
安全通道1：柵極-發(fā)射極工作電壓10V/div；
安全通道2：來源于控制板的PWM信號(hào)9V/div；
安全通道3：低電頻合理振蕩數(shù)據(jù)信號(hào)9V/div；100ns/div
柵極控制器去飽和狀態(tài)檢驗(yàn)比上文敘述的過電流檢驗(yàn)方式 實(shí)行速率快得多，且針對(duì)限定短路容量所容許升高的限制很重要，進(jìn)而提高了系統(tǒng)軟件的總體可靠性，并超出了能夠完成的水平，就算系統(tǒng)軟件含有迅速過電流保護(hù)作用。這顯示信息在圖7中。當(dāng)產(chǎn)生常見故障時(shí)，電流量迅速升高——實(shí)際上，電流量遠(yuǎn)超圖上所顯示，由于圖上以帶寬控制20A電流量探頭開展精確測(cè)量，僅作參考。去飽和狀態(tài)工作電壓做到9V跳變電器平，柵極控制器剛開始關(guān)閉。顯而易見，短路故障的全部延遲時(shí)間不夠400ns。電流量的長(zhǎng)尾關(guān)鍵詞表明正下方IGBT反串聯(lián)二極管中的續(xù)流造成 的感應(yīng)電流能。打開時(shí)，去飽和狀態(tài)工作電壓的原始提升是雜消散飽和狀態(tài)檢驗(yàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一個(gè)事例，它是因?yàn)榧娊Y(jié)-發(fā)射極工作電壓暫態(tài)所造成 。能夠根據(jù)提升去飽和狀態(tài)過濾器穩(wěn)態(tài)值，進(jìn)而提升附加的圓化時(shí)間而清除。
發(fā)射極工作電壓。因?yàn)槿ワ柡蜖顟B(tài)維護(hù)期內(nèi)，關(guān)閉的特性阻抗很大，因而原始可控過沖約為320VDC總相電壓之上80V。電流量在中下游反串聯(lián)二極管中流動(dòng)性，而電源電路內(nèi)寄生事實(shí)上促使工作電壓過沖略高，最大約為420V。
安全通道1：柵極-發(fā)射極工作電壓9V/div；
安全通道2：來源于控制板的PWM信號(hào)9V/div；
安全通道3：集電結(jié)-發(fā)射極工作電壓100V/div；200ns/div
伴隨著IGBT的短路故障承受時(shí)間降低至1μs的水準(zhǔn)，在非常短的時(shí)間內(nèi)檢驗(yàn)并關(guān)閉過電流和短路故障正越來越愈來愈關(guān)鍵。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的可信性與IGBT維護(hù)電源電路有非常大的關(guān)聯(lián)。文中列舉了一些解決這個(gè)問題的方式 ，并出示了試驗(yàn)結(jié)果，注重了平穩(wěn)防護(hù)式柵極控制器IC（例如多通道柵極控制器的ADuM4135）的使用價(jià)值。