工業(yè)電機驅動器的全部市場前景是對更效率高及其可信性和可靠性的規(guī)定持續(xù)提升，輸出功率半導體元器件生產商持續(xù)在通斷耗損和定時開關上尋找提升。相關提升絕緣層柵極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、更小的芯片尺寸，及其更低的熱導率和短路故障承受時間。這突顯了柵極控制器電源電路及其過電流檢驗和維護作用的必要性。
今日大家會探討當代工業(yè)電機驅動器中取得成功靠譜地完成過流保護的難題，另外出示三相電機操縱運用中防護式柵極控制器的試驗性實例。
工業(yè)生產自然環(huán)境中的短路故障
工業(yè)電機控制器的辦公環(huán)境相對性極端，很有可能出現(xiàn)高溫、溝通交流路線瞬變、機械設備負載、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造成 很大的過電流注入直流伺服電機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)電機驅動器中三種典型性的短路故障惡性事件：
逆變電源直達。這可能是因為有誤打開在其中一條逆變電源橋臂的2個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IGBT損壞/常見故障造成 的，而一切正常的IGBT維持電源開關姿勢。
相對性相短路故障。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 電機繞組中間產生絕緣層穿透所造成的。
火線零線對地短路故障。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 電機繞組和電機風罩中間產生絕緣層穿透所造成的。
一般而言，電動機可在相對性較長的時間內(ms到秒，實際在于電動機規(guī)格和種類)消化吸收非常高的電流量；殊不知，IGBT——工業(yè)電機驅動器逆變電源級的關鍵一部分——短路故障承受時間為分秒級。
IGBT短路故障承受工作能力
IGBT短路故障承受時間兩者之間跨導或增益值及其IGBT集成ic熱導率相關。高些的增益值造成 IGBT內的短路容量高些，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。殊不知，較功率放大一樣會造成 較低的通態(tài)通斷耗損，因此務必做出衡量選擇。
IGBT技術性的發(fā)展趨勢已經促使提升短路容量脈沖信號，但減少短路故障承受時間這一發(fā)展趨勢。除此之外，技術性的發(fā)展造成 應用芯片尺寸更小，變小了控制模塊規(guī)格，但減少了熱導率，以致承受時間進一步減少。此外，還與IGBT集電結-發(fā)射極工作電壓有非常大關聯(lián)，因此工業(yè)生產驅動器趨于高些直流電總相電壓脈沖信號的并行處理發(fā)展趨勢進一步減縮了短路故障承受時間。以往，這一時間范疇是10μs，但近些年的發(fā)展趨勢是在往5μs及其一些標準下低至1μs方位發(fā)展趨勢。除此之外，不一樣元器件的短路故障承受時間也是有很大的不一樣，因而針對IGBT維護電源電路來講，一般 提議內建超過額定值短路故障承受時間的附加裕量。
IGBT過電流保護
不管出自于經濟損失還是安全性層面的考慮，對于過電流標準的IGBT維護全是可靠性指標的根本所在。IGBT并不是是一種故障安全元器件，他們若出現(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，并使全部驅動器出現(xiàn)常見故障。過電流保護一般通過電流量精確測量或去飽和狀態(tài)檢驗來完成。
針對電流量精確測量來講，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量元器件，便于應對直達常見故障和電機繞組常見故障?？刂瓢搴?或柵極控制器中的迅速實行振蕩電源電路務必立即關閉IGBT，避免超過短路故障承受時間。這類方式 的較大 益處是它規(guī)定在每一個逆變電源臂上各配置2個精確測量元器件，并配置一切有關的脈沖調制和防護電源電路。只需要在正直流電系統(tǒng)總線路線和負直流電系統(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，驅動器構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)路服務項目，并出示電動機過電流保護；他們一樣很有可能用以IGBT過電流保護——前提條件是脈沖調制的響應速度充足快，能夠在規(guī)定的短路故障承受時間內維護IGBT。
去飽和狀態(tài)檢驗運用IGBT自身做為電流量精確測量元器件。電路原理圖中的二極管保證IGBT集電結-發(fā)射極工作電壓在通斷期內僅遭受檢驗電源電路的監(jiān)管；一切正常工作中時，集電結-發(fā)射極工作電壓極低(典型值為1V至4V)。殊不知，假如產生短路故障惡性事件，IGBT集電結電流量升高到驅動器IGBT撤出飽和狀態(tài)區(qū)并進到線形工作區(qū)域的脈沖信號。這造成 集電結-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)振蕩閥值脈沖信號一般 在7V至9V地區(qū)內。關鍵的是，去飽和狀態(tài)還可表明柵極-發(fā)射極工作電壓過低，且IGBT未徹底驅動器至飽和狀態(tài)區(qū)。開展去飽和狀態(tài)檢驗布署時要細心，以防誤觸發(fā)。這特別是在很有可能產生在IGBT并未徹底進到飽和時，從IGBT關閉情況變換到IGBT通斷情況期內。圓化時間一般 在打開數據信號和去飽和狀態(tài)檢驗激話時刻中間，以防止誤檢。一般 還會繼續(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，需要在噪音抗擾度和IGBT短路故障承受時間內采取行動這彼此之間開展衡量。
檢驗到IGBT過電流后，進一步的挑戰(zhàn)就是關掉處在異常高電流量脈沖信號情況的IGBT。一切正常工作中標準下，柵極控制器設計方案為可以盡量迅速地關掉IGBT，便于較大 水平減少開關損耗。它是根據較低的控制器特性阻抗和柵極驅動器電阻器來完成的。假如對于過電流標準釋放一樣的柵極關閉速度，則集電結-發(fā)射極的di/dt可能大許多，由于在較短的時間內電流量轉變很大。因為線焊和PCB布線雜散電感器造成 的集電結-發(fā)射極電源電路內寄生電感器很有可能會使很大的過壓電式平一瞬間抵達IGBT(由于VLSTRAY=LSTRAY×di/dt)。因而，在去飽和狀態(tài)惡性事件產生期內，關閉IGBT時，出示特性阻抗較高的關閉途徑很重要，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，瞬間逆變電源直達一樣會產生在一切正常工作中標準下。這時，IGBT通斷規(guī)定IGBT驅動器至飽和狀態(tài)地區(qū)，在該地區(qū)中導通耗損最少。這一般 代表著通斷情況時的柵極-發(fā)射極工作電壓超過12V。IGBT關閉規(guī)定IGBT驅動器至工作中截至地區(qū)，便于在高檔IGBT通斷時取得成功隔絕兩邊的反方向高電壓。正常情況下講，能夠根據使IGBT柵極-發(fā)射極工作電壓降低至0V完成該總體目標?？墒牵瑒毡乜紤]到逆變電源臂上中低端晶體三極管通斷時的不良反應。通斷時開關節(jié)點工作電壓的迅速轉變造成 溶性感應電動勢穿過中低端IGBT內寄生密勒柵極-集電結電容器(圖3中的CGC)。該電流量穿過中低端柵極控制器（圖3中的ZDRIVER）關閉特性阻抗，在中低端IGBT柵極發(fā)送極端化造就出一個瞬變工作電壓提升，如下圖所示。假如該工作電壓升高至IGBT閾值電壓VTH之上，則會造成 中低端IGBT的短暫性通斷，進而產生暫態(tài)逆變電源臂直達——由于2個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的磁感應通斷難題——應用雙旋光性開關電源和/或附加的斯泰格箝位。在柵極控制器防護端接納雙旋光性開關電源的工作能力為感應電壓瞬變出示了附加的裕量。比如，–7.9V負開關電源軌表明必須超過8.9V的感應電壓瞬變才可以磁感應雜散導通。這得以避免雜散導通。另一種方式 是在進行關閉變換后的一段時間內減少柵極控制器電源電路的關閉特性阻抗。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。對于通斷與關閉選用非對稱加密柵極電阻器，便能為電源開關速度操縱出示附加的協(xié)調能力。全部這種柵極控制器作用都對全部系統(tǒng)軟件的可信性與高效率有正臉危害。
試驗實例
試驗設定選用三相逆變電源，該逆變電源由溝通交流電壓根據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，0.5HP感應電機由開環(huán)傳遞函數V/Hz操縱驅動器。IGBT選用InternationalRectifier出示的1200V、30AIRG7PH46UDPBF?？刂瓢暹x用ADI的ADSP-CM408FCortex?-M4F混和信號轉換器。應用防護式Σ-ΔAD7403解調器開展相位差電流量精確測量，應用ADuM4135完成防護式柵極驅動器(它是一款帶磁防護式柵極控制器商品，集成化去飽和狀態(tài)檢驗、斯泰格箝位和其他IGBT維護作用)。在電動機相位差中間，或在電動機相位差和負直流電系統(tǒng)總線中間手動式電源開關短路故障，開展短路故障檢測。本例中未檢測短路故障至地。
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防護式逆變電源服務平臺。
試驗硬件配置中，根據多種多樣方式 完成IGBT過電流和過流保護。他們分別是：
直流電系統(tǒng)總線電流量檢驗(逆變電源直達常見故障)
電動機相位差電流量檢驗(電機繞組常見故障)
柵極控制器去飽和狀態(tài)檢驗(全部常見故障)
針對直流電系統(tǒng)總線電流量檢驗電源電路，務必加一個中小型過濾器，防止誤開啟，由于直流電系統(tǒng)總線電流量因為潛在性的高噪音電流量而時斷時續(xù)。選用具備3μs時間參量的RC過濾器。檢驗到過電流后，其他相關IGBT關閉的延遲時間是根據運放電路、電壓比較器、信號隔離器、ADSP-CM408F中的振蕩響應速度，及其柵極控制器散播延遲時間。這會附加提升0.4μs，促使常見故障至關閉的總延遲時間為3.4μs——遠小于許多IGBT的短路故障穩(wěn)態(tài)值。
相近的時鐘頻率一樣適用選用AD7403及其ADSP-CM408FCPU上集成化負載檢驗sinc過濾器的電動機相位差電流量檢驗。選用穩(wěn)態(tài)值為3μs上下的sinc過濾器可優(yōu)良運行。在這類狀況下，其他系統(tǒng)軟件延遲時間的緣故僅會是振蕩數據信號內部路由器至PWM模塊及其存有柵極控制器散播延遲時間，由于負載sinc過濾器是CPU的內部元器件。連在電流量檢驗電源電路或迅速數字濾波器的反應速度，不管應用哪種方式 ，二種狀況下的ADuM4135稍短散播延遲時間對完成合理的迅速過電流保護十分關鍵。
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9V/div；
安全通道3：低電頻合理振蕩數據信號9V/div；100ns/div
柵極控制器去飽和狀態(tài)檢驗比上文敘述的過電流檢驗方式 實行速率快得多，且針對限定短路容量所容許升高的限制很重要，進而提高了系統(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作用。這顯示信息在圖7中。當產生常見故障時，電流量迅速升高——實際上，電流量遠超圖上所顯示，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閉。顯而易見，短路故障的全部延遲時間不夠400ns。電流量的長尾關鍵詞表明正下方IGBT反串聯(lián)二極管中的續(xù)流造成 的感應電流能。打開時，去飽和狀態(tài)工作電壓的原始提升是雜消散飽和狀態(tài)檢驗感應電動勢的一個事例，它是因為集電結-發(fā)射極工作電壓暫態(tài)所造成 。能夠根據提升去飽和狀態(tài)過濾器穩(wěn)態(tài)值，進而提升附加的圓化時間而清除。
發(fā)射極工作電壓。因為去飽和狀態(tài)維護期內，關閉的特性阻抗很大，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)二極管中流動性，而電源電路內寄生事實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9V/div；
安全通道3：集電結-發(fā)射極工作電壓100V/div；200ns/div
伴隨著IGBT的短路故障承受時間降低至1μs的水準，在非常短的時間內檢驗并關閉過電流和短路故障正越來越愈來愈關鍵。工業(yè)電機驅動器的可信性與IGBT維護電源電路有非常大的關聯(lián)。文中列舉了一些解決這個問題的方式 ，并出示了試驗結果，注重了平穩(wěn)防護式柵極控制器IC（例如多通道柵極控制器的ADuM4135）的使用價值。
