Protección de los IGBTs por detección de corriente con el uso de amplificadores de aislamiento óptico

Escrito por gm2Miércoles, 05 de Diciembre de 2012 11:25

Los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) requieren una protección total para evitardaños y fallos causados por condiciones tales como cortocircuitos, sobrecargas ysobretensiones. La protección es fundamental para garantizar que las operaciones deconversión de potencia sean seguras y estables en aplicaciones tales como controladores demotores y sistemas de generación de energía solar y eólica. Para detectar condiciones desobrecargas y sobretensión, los amplificadores de aislamiento que ofrecen una rápidarespuesta o feedback de fallos se pueden utilizar en las fases de salida y el bus de CC. Esteartículo describe cómo utilizar estos dispositivos para proteger los IGBTs contra sobrecargas ysobretensiones.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques típico de un convertidor de potencia en unaunidad de control de motor de CA. Se compone de un inversor que convierte la tensión del busde CC a corriente alterna a una frecuencia variable para accionar el motor. Los IGBTs son loscostosos interruptores de potencia que forman el corazón del inversor. Estos dispositivos dealimentación deben operar a una frecuencia alta y deben tener la capacidad de soportar altastensiones.Los amplificadores de aislamiento como el ACPL-C79A, en la Figura 1 (ver recuadro),funcionan en conjunto con resistencias de derivación para proporcionar mediciones exactas dela corriente en convertidores de potencia, incluso cuando existe un alto ruido de conmutación.Cuando se utiliza con un divisor resistivo los amplificadores de aislamiento funcionan comosensores de precisión de corriente para llevar un control de la tensión del bus de CC. Lainformación de la corriente y el voltaje de los amplificadores de aislamiento son recolectadospor el microcontrolador, que utiliza los datos para calcular los valores de retorno y las señalesde salida necesarias para proporcionar un control eficaz y un manejo de fallos en losconvertidores de potencia.

Requisitos para la protección de fallosEn un inversor, los IGBTs son los componentes más costosos y, por lo tanto, tiene sentidoproporcionar la mayor protección posible para protegerlos contra posibles daños. Losamplificadores de aislamiento proporcionan una detección rápida de las condiciones de falla ylos algoritmos que ejecuta el microcontrolador pueden evitar que las condiciones de fallaprovoquen que los IGBT fallen. Además, el aislamiento óptico en los amplificadores impide que

1 / 3

Protección de los IGBTs por detección de corriente con el uso de amplificadores de aislamiento óptico

Escrito por gm2Miércoles, 05 de Diciembre de 2012 11:25

las condiciones de falla sobrecarguen al microcontrolador causando que este falle.

Sin embargo, la protección de los IGBTs debe ser rentable - el mercado sigue exigiendo unaprotección suficiente para los IGBT contra las condiciones de falla a un precio que no afectesignificativamente el costo total del sistema de control del motor. Para satisfacer esta demanda,se han introducido los controladores del circuito compuerta del IGBT (tales como el ACPL-332J[1]) y los sensores de corriente con funciones de protección para la detección de fallasesenciales, además de sus funciones de control y detección. Estos productos proporcionan unesquema rentable para poner en práctica la protección de los IGBTs y eliminar la necesidad decomponentes de detección y de retroalimentación por separado. Consulte la Bibliografía [1], [2]para más detalles de las características de protección integradas con los controladores decircuito compuerta y cómo implementar esas funciones de protección. El resto de este artículose centrará en algunas de las funciones de protección de fallas que pueden ser implementadascon sensores de corriente/tensión como se indica en la Tabla 1.

Detección de sobrecorrienteLas condiciones de sobrecorriente en un IGBT pueden darse debido a un cortocircuito entrefases, un cortocircuito de línea a tierra o a corriente de cortocircuito. Los dispositivos dedetección de corriente de derivación del amplificador de aislamiento en las fases de salida y elbus de CC proporcionan la detección de fallas, además de la medición de corriente (ver Figura1). Los tiempos de supervivencia al cortocircuito de los IGBT comunes se han valorado hastaun límite de 10 ms [3, 4]. Para garantizar una protección eficaz, este límite no debe superarse.Dentro de este límite, la falla debe ser detectada, retroalimentada al controlador y debecumplirse el procedimiento de apagado dentro de este plazo. Para cumplir con este requisito,los amplificadores de aislamientos utilizan diferentes métodos.

2 / 3

Protección de los IGBTs por detección de corriente con el uso de amplificadores de aislamiento óptico

Escrito por gm2Miércoles, 05 de Diciembre de 2012 11:25

Por ejemplo, el ACPL-C79A tiene un tiempo de respuesta rápida de 1.6 µs para una entradaescalonada. Eso permite que el amplificador capture los transientes durante las condiciones decortocircuito y de sobrecarga (ver Figura 2) [5]. El retraso de la propagación de la señal deentrada a la salida en el punto medio es de sólo 2 µs, mientras que sólo se necesita 2.6 µs paraque la señal de salida alcance la señal de entrada, alcanzando el 90 % de los niveles finales.Además del tiempo de respuesta rápido, el ACPL-C79A proporciona una precisión de gananciade ± 1 %, una no linealidad excelente de 0,05 % y una relación señal-ruido (SNR) de 60 dB.También está disponible el ACPL-C79B, que ofrece una precisión de mayor ganancia de ± 0.5%, y el ACPL C790, que tiene una tolerancia de ganancia de ± 3%. Todos los dispositivos de lafamilia ACPL-C79A están certificados para soportar un pico en la tensión de aislamiento de1230 V, y pueden rechazar ruido trasiente de modo común de hasta 15 kV /µs. Estascaracterísticas se entregan en un paquete SO-8 que tiene un tamaño un 30 % menor que elpaquete estándar DIP-8. Otro ejemplo es el HCPL-788J, que adopta un enfoque diferente para lograr una respuestarápida en la detección de sobrecorriente (Figura 3) [6, 7]. Además del vástago de la señal desalida, viene con un vástago de falla que cambia rápidamente de alto a bajo para indicar unacondición de sobrecorriente. Este amplificador de aislamiento proporciona una precisión demedición de ± 3 %. Dentro del diseño de retroalimentación de fallas, una cuestión con la que el diseño debe lidiarson los disparos por interferencia. Los disparos por interferencia son una falsa activación de ladetección de fallas en ausencia de cualquier condición de falla aparente que pueda dañar losIGBTs. Para evitar falsas alarmas, el HCPL-788J cuenta con un circuito discriminador de pulsopara inhibir eficazmente la influencia de las fallas di/dt y dv/dt. La ventaja de este método esque el rechazo es independiente de la amplitud, lo que significa que el umbral de fallas sepuede establecer en un nivel mucho más bajo sin aumentar el riesgo de disparos porinterferencia.

En la implementación del circuito para lograr la detección rápida de fallas, se utilizan doscomparadores en el bloque de detección de fallas para detectar los umbrales de fallasnegativos y positivos. El umbral de conmutación es igual a la referencia del moduladorsigma-delta de 256 mV. Las salidas de estos comparadores están conectadas a filtros desupresión con un periodo de supresión de 2 ms y luego se envían al bloque del codificador.Para asegurarse de que el estado de fallo se transmita a través del límite de aislamiento tanrápido como sea posible, se utilizan dos únicas secuencias de codificación digital pararepresentar la condición de falla, un código para el nivel negativo y otro para el positivo.Cuando se detecta una falla, la transferencia de datos normal a través del canal óptico seinterrumpe y el flujo de bits es reemplazado con el código de falla. Estos dos códigos de fallase desvían significativamente del régimen normal de codificación, por lo que en el lado deldetector el decodificador reconoce inmediatamente los códigos como condiciones de falla [7]. El tiempo requerido por el decodificador para detectar y comunicar la condición de falla a travésdel límite de aislamiento es de alrededor de 1 ms. La adición del retraso de 400 ns al filtroantialiasing da un retraso de propagación de 1.4 ms. El retraso entre el evento de falla y laseñal de salida de falla es la suma del retraso de propagación y el período de supresión (2 ms),lo que resulta en un tiempo de detección de fallas global de 3.4 ms (véase la Figura 4).El vástago de salida de falla permite que la señal de falla de varios dispositivos se conectenentre sí, lo que permite conectar múltiples partes (wire-ORed) para crear una única señal defalla (véase la parte superior derecha de la Figura 5) [6]. Esta señal puede utilizarse luego paradesactivar directamente las entradas PWM a través del controlador.

Detección de sobrecargaUna condición de sobrecarga se refiere a una situación en la que la corriente del motor excedela corriente nominal de la unidad, pero no tanto como para poner el inversor o el motor enpeligro inmediato de falla, por ejemplo, si el motor está mecánicamente sobrecargado o unasituación de bloqueo del motor como resultado de una falla del cojinete. Los inversores se suelen especificar con una capacidad de sobrecarga adicional al valornominal. El periodo de tiempo de la capacidad de sobrecarga permisible depende del intervalode tiempo antes de que el sobrecalentamiento se convierta en un problema. Una capacidad desobrecarga típica es de 150 % de la carga nominal para un período de hasta un minuto. El ACPL-C79A acepta una gama completa de entrada de ± 300 mV y las especificaciones de lahoja de datos se basan en un rango de entrada nominal de ± 200 mV. Un diseñador tiene laflexibilidad de elegir el umbral de sobrecarga en cualquiera de las dos figuras, o en el medio. Sila precisión de la medición de la corriente de sobrecarga con el umbral cerca de 300 mV esmenos estricta en comparación con la de la corriente de funcionamiento normal, lo cual sueleser el caso, es una buena elección ya que esto permite un uso completo del rango dinámico deentrada del amplificador de aislamiento. Sin embargo, si se fija el umbral a 200 mV garantiza laprecisión de la medición de la corriente de sobrecarga. Una vez que se han decidido los nivelesde tensión, el diseñador tiene que elegir el valor apropiado de la resistencia de detección deacuerdo al nivel de corriente correspondiente.

El HCPL-788J incluye una característica adicional, la salida ABSVAL, que puede ser utilizadapara simplificar el circuito de detección de sobrecarga. El circuito ABSVAL rectifica la señal desalida, proporcionando una señal de salida proporcional al nivel absoluto de la señal de entradasegún la fórmula: ABSVAL = |ENT V| *REF V,EXT / 252mV Esta salida también puede ser cableada (wire OR-able). Cuando se combinan tres fasessinusoidales del motor, la salida rectificada (ABSVAL) es esencialmente una señal de corrientecontinua que representa la corriente RMS del motor. Esta señal de CC y un comparador deumbral pueden indicar las condiciones de sobrecarga del motor antes de producir daños almotor o al controlador (véase la parte inferior derecha de la Figura 5). Detección de sobretensiónLa tensión del bus de CC también debe ser mantenida bajo constante control. Bajo ciertascondiciones de funcionamiento, un motor puede actuar como un generador, devolviendo un altovoltaje al bus de CC a través del dispositivo de alimentación del inversor y / o los diodos derecuperación. Esta alta tensión se añade a la tensión de CC y forma un pico muy elevadoaplicado a los IGBTs. Este pico puede exceder el máximo voltaje del colector-emisor del IGBTy causar daños.

El amplificador de aislamiento miniatura (ACPL-C79A) se utiliza a menudo como un sensor devoltaje en aplicaciones de control de bus de CC (Figura 6). Un diseñador debe reducir latensión del bus de CC para adaptarse a la gama de entrada del amplificador de aislamientoeligiendo los valores de R1 y R2 de acuerdo a la proporción adecuada. ConclusiónLos amplificadores de aislamiento de Avago Technologies proporcionan un método eficaz paraproteger los IGBTs contra condiciones de sobrecorriente, sobrecarga y sobretensión, ademásde su función de detección de corriente/tensión. El uso de estos dispositivos, junto concontroladores de puerta con múltiples funciones como el ACPL-332J, un esquema deprotección de IGBTs rentable pero completo, puede ser fácilmente implementado. Autor: Por: Hong Lei Chen, jefe de producto, Avago Technologies Referencias  1. ACPL-332J Data Sheet, Avago Technologies, AV02-0120EN.  2. Hong Lei Chen and Chun Keong Tee, “Using gate drive Optocouplers in IGBT protections,”EETimes Europe, December 2010, pp. 28-31.  3. Terje Rogne, “Short-Circuit Capability of IGBT (COMFET) Transistors,” IEEE, 1988.  4. J. Li, R. Herzer, R. Annacker, B. Koenig, “Modern IGBT/FWD Chip Sets For 1200VApplications,” Semikron  Elektronik GmbH, 2007. 5. ACPL-C79B, ACPL-C79A, ACPL-C790 Precision Miniature Isolation Amplifiers Data Sheet.Avago Technologies, AV02-2460EN.  6. HCPL-788J Data Sheet, Avago Technologies, AV02-1546EN. 7. Patrick Sullivan, Denis Kobasevic, “Smart Current Sensor For Motor Drive Control.” PCIMEurope, 1998, Vol.10 no.4, pp. 182-186. Más información o presupuesto

3 / 3