光耦智能门驱动器中去饱和度故障检测

介绍

本应用说明介绍了智能系统中去饱和故障检测功能的设计门驱动程序。 以及去饱和度故障检测功能在驱动程序中如何工作。

去饱和故障检测电路为电源半导体开关（IGBT或MOSFETs）提供保护，以防止可能导致这些电源开关损坏的短路电流事件。逆变器的去饱和也可能由于逆变器门驱动器性能故障或导致的驱动器电源电压问题不足而发生。可能导致逆变器中电流过大和功率损耗过大的其他故障模式可能是由于用户连接错误或线路错误导致的相位和/或轨道供电短路、噪声或计算错误导致的控制信号故障、负载引起的过载条件以及栅极驱动电路中的部件故障。大大增加的功耗很快过热的功率逆变器，并破坏了它。为了防止对驱动器的灾难性损坏，必须实施去饱和故障检测和保护，以减少故障状态下的或关闭过电流。

故障检测

IGBT集电极-发射极电压VCESAT由栅极驱动光耦合器的DESAT引脚监测（图1a和1b中的Pin14）。当一个应用程序中出现短路，且有很大的电流通过IGBT时，它就会进入去饱和模式；因此其VCESAT电压会升高。一旦VCESAT电压超过内部去饱和故障检测阈值电压，通常为7.0 V，光耦合器栅极驱动器就会检测到故障（当IGBT打开时）出现故障。

此故障检测会触发以下两个事件：

a.光耦合器门驱动器的排气被缓慢地降低，以“轻轻地”关闭IGBT，防止大的di/dt诱导的电压峰值。

b.激活内部反馈通道，使故障输出较低，以通知微控制器故障情况。此时，微控制器必须采取适当的动作来关闭或重置电机驱动器。

软关闭

这一特性存在于门光耦合器中。g.ACPL333J、ACPL- 330J、ACPL-332J、ACPL-331J和HCPL-316J)。当DESAT功能检测到故障时，输出驱动阶段的弱下拉设备将“轻”地关闭IGBT，并防止大的di/dt感应电压。该装置缓慢放电IGBT栅，以防止集电极电流的快速变化，导致杂散电感造成的电压峰值。在缓慢关闭期间，大输出下拉装置保持关闭，直到输出电压低于维+ 2 V，此时大下拉设备锁定IGBT门维.

关闭状态并重置

在IGBT关闭状态下，驾驶员故障检测电路被禁用，以防止错误的“故障”信号。故障输出，图1a的Pin 3被拉下，输出Pin 11下降。在ACPL-333J和ACPL-330J中，故障通常在26 ps的固定静音时间后自复位。在ACPL-332J和ACPL-331J中，在一个固定的静音时间后，在给驾驶员的下一个正输入信号处重置故障。HCPL-316J必须通过重置销（图1b的销5）。对于这两种情况，只有当DESAT检测下降到低（短路被清除）时，才能清除复位。

带有滞后现象的低电压锁定（UVLO）

光耦合器门驱动器的输出和故障状态由两种组合控制，UVLO，以及检测到的IGBT DESAT条件。在上电期间，UVLO特性通过迫使光耦合器栅极驱动器的输出值较低，来防止对IGBT施加不足的栅极电压。一旦光耦合器门驱动器的电源超过正UVLO阈值，DESAT检测特征是IGBT保护的主要来源。一旦光耦合器的电源低于负的UVLO阈值水平，光耦合器的输出就会安全地降低。正UVLO和负UVLO阈值水平的滞后为UVLO检测和输出关闭特性提供了适当的噪声裕度。

 

图1a。ACPL-333J、ACPL-330J、ACPL-332J和ACPL-331J的去饱和检测电路。

 

图1b。HCPL-316J的去饱和检测电路

 

图2。齐纳二极管和二极管连接，以调整DESAT阈值电压

基本的DESAT检测器电路组件的选择

对于典型的应用，构建DESAT电路所需的三个外部组件是DESAT二极管，德萨特，DESAT电阻器，雷德萨特，和空白电容，CBLANK.

空白时间

DESAT故障检测电路应在IGBT打开后的短时间内保持禁用，以允许集电极电压低于DESAT阈值。该时间段称为DESAT空白时间，确保在IGBT打开期间没有麻烦的跳闸。这个时间还表示驱动程序检测故障状况所需的时间。消隐时间由内部DESAT充电电流控制，希格，为250 pA（typ），DESAT电压阈值维德萨特，和外部空白电容器，CBLANK.操作过程中，当驱动输出低(IGBT关闭）时，空白电容放电。也就是说，只有当栅驱动光耦器的输出处于高状态时，DESAT检测特征才会被激活，使IGBT进入饱和。当IGBT打开时，DESAT电容开始充电，只有在空白时间后超过DESAT阈值时，保护才会有效。

高压阻塞二极管和DESAT阈值

DESAT二极管的功能是进行正向电流，允许传感IGBT的VCESAT。在高功率应用中，由于自由旋转二极管的反向恢复峰值，DESAT引脚可能被拉低。这种反向恢复峰值倾向于向前偏置衬底二极管

的HCPL-316J，它可能通过产生一个“假的”的检测信号来响应。为了最小化充电电流，避免假DESAT触发，最好使用非常快的反向恢复时间二极管和非常小的反向寄生二极管。下表中列出了适合用作DESAT二极管，DDESAT的快速恢复二极管。

通过将一串DESAT二极管串联或将一个低压齐纳二极管与DESAT二极管串联，可以降低DESAT检测阈值电压（典型）。

DESAT电阻器

IGBT的反并联二极管可以具有一个较大的瞬时正向电压瞬态，它超过了二极管的标称正向电压。这可能导致在DESAT引脚上有一个大的负电压尖峰，这将吸引驱动器的大量电流。为了限制从栅极驱动器抽取的电流电平，可以与DESAT二极管串联地添加一个DESAT电阻（推荐100Q）。所添加的电阻器将不会明显地改变DESAT阈值或消隐时间。

故障输出引脚

故障引脚（ACPL-332J/331J的引脚3和HCPL-316J的引脚6）是一个开放式集电极输出，需要一个上拉电阻，RF (2。.3ACPL-332J和331J为1kQ，3kQ为HCPL-316J)，以提供高电平信号。为了防止故障引脚被高CMR噪声“触发”，一个滤波器电容器，cf，包括在故障销和接地之间（图1a)。

防止在电源半导体开关操作过程中由于负电压峰值而引起的错误故障检测

可能导致驱动器产生假故障信号的情况之一是，如果驱动器的基底二极管成为正向偏置。如果来自IGBT自由旋转二极管的反向恢复峰值将DESAT大头针带到地面以下，就会发生这种情况。因此，DESAT引脚电压将被“带来”超过阈值电压。这种负的前进电压峰值通常是由IGBT/MOSFETs自由旋转二极管的感应负载或反向恢复峰值产生的。为了防止假故障信号，强烈建议通过DESAT针和SE针连接齐纳二极管和肖特基二极管(e。g.对于HCPL-316J，在针脚14和16之间)。这个电路的解决方案如图3所示。肖特基二极管将防止栅极驱动器光耦合器的衬底二极管向前偏置，而齐纳二极管（值约7.5至8 V）用于防止任何正的高瞬态电压影响DESAT引脚。

 

图3。使用HCPL-316J的具有2.5山s标称消隐延迟的外部消隐电路

其他调整DESAT检测消隐时间的方法

除了图1和图2中推荐的调整消隐时间的电路外，本应用说明中还介绍了另外两种方法。第一种方法，如图3和图4所示，使用了额外的电容器、电阻和场效应晶体管。第二种更简单的方法，如图5所示，只需要一个额外的电阻器加上消隐电容的缩放，CBLANK。这些图显示了如何使用HCPL-316J进行连接。该电路适用于其他类似的驱动器，如ACPL332J。这些电路必须始终带有一个肖特基二极管，连接到针14（阴极）和销16（阳极），以防止器件的衬底二极管向前偏置。

在图3和图4中，消隐时间由Q1控制，时间常数调整为电容值为680 pF，电阻值为1 kQ。设计师可以根据他们所期望的消隐时间来选择调整这个值。4*RC时间常数为680 pF和1 kQ的消隐时间为2.7山s。

图5显示了外部消隐电路的另一个概念。这种方法使用了一个额外的外部电阻器，rb，从输出连接到DESAT引脚。这允许一个额外的消隐电容器充电电流组件从栅驱动器光耦合器通过rb并增加了栅极驱动光耦合器的内部电流源。这种较高的消隐电容充电电流允许设计者在通过选择外部电阻来选择适当的值和合适的电流时具有更大的灵活性rb.通过调节消隐电容的电容和附加的电流通过rb设计者可以设定一个特定的、精确的消隐时间。

 

图4。使用HCPL-316J的外部消缓冲电路

 

图5。使用HCPL-316J的第二种外部消隐电路方法

实验结果

图6显示了下降饱和度的实验波形安装和软关闭条件。

运行条件（请参见图1a)：

开关频率= 10 kHz

VCC2-维= 15 V

氯化钠=10nF（模拟IGBT负载Q1)

rg= 10业（栅极电阻）

块状的= 100 p

 

图6。通道1（黄色）-输入LED，通道2（绿色）-输出电压，通道3（蓝色）-DESAT