- 工业电机驱动中的IGBT过流和短路保护

对于直流总线电流检测电路，必须加一个小型滤波器，避免误触发，因为直流总线电流由于潜在的高噪声电流而断续。采用具有3 μs时间常数的RC滤波器。检测到过流后，其余有关IGBT关断的延迟是通过运算放大器、比较器、信号隔离器、ADSP-CM408F中的跳变响应时间，以及栅极驱动器传播延迟。这会额外增加0.4 μs，使得故障至关断的总时间延迟为3.4 μs——远低于很多IGBT的短路时间常数。类似的时序同样适用于采用AD7403以及ADSP-CM408F处理器上集成式过载检测sinc滤波器的电机相位电流检测。采用时间常数为3 μs左右的sinc滤波器可良好运作。8在这种情况下，其余系统延迟的原因仅会是跳变信号内部路由至PWM单元以及存在栅极驱动器传播延迟，因为过载sinc滤波器是处理器的内部元件。

连同电流检测电路或快速数字滤波器的反应时间，无论使用何种方法，两种情况下的ADuM4135超短传播延迟对实现有效的快速过流保护非常重要。图6显示了硬件跳变信号、PWM输出信号和其中一个逆变器臂的上方IGBT实际栅极-发射极波形之间的延迟。图中可以看到，IGBT开始关断后的总延迟约为100 ns。

图6. 过流关断时序延迟(通道1：栅极-发射极电压10 V/div；通道2：来自控制器的PWM信号5 V/div；通道3：低电平有效跳变信号5 V/div；100 ns/div)

栅极驱动器去饱和检测比上文描述的过流检测方法执行速度快得多，且对于限制短路电流所允许上升的上限很重要，从而提升了系统的整体稳定性，并超过了可以实现的水准，哪怕系统带有快速过流保护功能。这显示在图7中。当发生故障时，电流快速上升——事实上，电流远高于图中所示，因为图中以带宽限制20 A电流探针进行测量，仅供参考。去饱和电压达到9 V跳变电平，栅极驱动器开始关断。显然，短路的整个持续时间不足400 ns。

电流的长尾表示下方IGBT反并联二极管中的续流导致的感应电能。开启时，去饱和电压的初始增加是杂散去饱和检测电动势的一个例子，这是由于集电极-发射极电压瞬态所导致。可以通过增加去饱和滤波器时间常数，从而增加额外的消隐时间而消除。

图7. IGBT短路检测

图8显示了IGBT上的集电极-发射极电压。由于去饱和保护期间，关断的阻抗较大，因此初始受控过冲约为320 VDC总线电压以上80 V。电流在下游反并联二极管中流动，而电路寄生实际上使得电压过冲略高，最高约为420 V。

图8. IGBT短路关断

图9显示了正常工作时，米勒箝位防止逆变器直通的价值。

图9. 开启时的米勒箝位 通道1：栅极-发射极电压5 V/div；通道2：来自控制器的PWM信号5 V/div；通道3：集电极-发射极电压100 V/div；200 ns/div

小结

随着IGBT的短路耐受时间下降至1 μs的水平，在极短的时间内检测并关断过流和短路正变得越来越重要。工业电机驱动的可靠性与IGBT保护电路有很大的关系。本文罗列了一些处理这个问题的方法，并提供了实验结果，强调了稳定隔离式栅极驱动器IC (比如ADI公司的ADuM4135)的价值。

参考文献

1 Jonah Chen、Pengwei Sun和Anna Grishina。“第二代SIP1A IRAM：AN-1215”International Rectifier，2015年。
2 Rahul Chokhawala、Jamie Catt和Laszlo Kiraly。“IGBT短路表现和故障保护方案的探讨”Industry Applications，IEEE Transactions，第31卷第2期，1995年。
3 IRGP4266PbF数据手册。International Rectifier。
4 IGBT应用笔记。Renesas Electronics Corporation，2013年。
5 “高速HSJ”Mersen。
6 混合信号控制处理器——ADSP-CM408F。ADI公司。
7 隔离式逆变器平台评估板。ADI公司。
8 Dara O’Sullivan、Jens Sorensen和Aengus Murray。应用笔记AN-1265：使用ADSPCM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F Sinc滤波器和AD7403的隔离式电机控制反馈。ADI公司。

作者简介

Dara O’Sullivan是ADI公司电机与功率控制部门的一名系统应用工程师。其专长领域是交流电机控制应用的功率转换和控制。Dara拥有爱尔兰科克大学工程学士、工程硕士和博士学位。