Circuitos integrados

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

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

Proteccion1La Figura 1 muestra un diagrama de bloques típico de un convertidor de potencia en una unidad de control de motor de CA. Se compone de un inversor que convierte la tensión del bus de CC a corriente alterna a una frecuencia variable para accionar el motor. Los IGBTs son los costosos interruptores de potencia que forman el corazón del inversor. Estos dispositivos de alimentación deben operar a una frecuencia alta y deben tener la capacidad de soportar altas tensiones.
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 de la 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 como sensores de precisión de corriente para llevar un control de la tensión del bus de CC. La información de la corriente y el voltaje de los amplificadores de aislamiento son recolectados por el microcontrolador, que utiliza los datos para calcular los valores de retorno y las señales de salida necesarias para proporcionar un control eficaz y un manejo de fallos en los convertidores de potencia.


Requisitos para la protección de fallos
En un inversor, los IGBTs son los componentes más costosos y, por lo tanto, tiene sentido proporcionar la mayor protección posible para protegerlos contra posibles daños. Los amplificadores de aislamiento proporcionan una detección rápida de las condiciones de falla y los algoritmos que ejecuta el microcontrolador pueden evitar que las condiciones de falla provoquen que los IGBT fallen. Además, el aislamiento óptico en los amplificadores impide que las condiciones de falla sobrecarguen al microcontrolador causando que este falle.


Proteccion1-1Sin embargo, la protección de los IGBTs debe ser rentable - el mercado sigue exigiendo una protección suficiente para los IGBT contra las condiciones de falla a un precio que no afecte significativamente 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 fallas esenciales, además de sus funciones de control y detección. Estos productos proporcionan un esquema rentable para poner en práctica la protección de los IGBTs y eliminar la necesidad de componentes de detección y de retroalimentación por separado. Consulte la Bibliografía [1], [2] para más detalles de las características de protección integradas con los controladores de circuito compuerta y cómo implementar esas funciones de protección. El resto de este artículo se centrará en algunas de las funciones de protección de fallas que pueden ser implementadas con sensores de corriente/tensión como se indica en la Tabla 1.


Detección de sobrecorriente
Las condiciones de sobrecorriente en un IGBT pueden darse debido a un cortocircuito entre fases, un cortocircuito de línea a tierra o a corriente de cortocircuito. Los dispositivos de detección de corriente de derivación del amplificador de aislamiento en las fases de salida y el bus de CC proporcionan la detección de fallas, además de la medición de corriente (ver Figura 1). Los tiempos de supervivencia al cortocircuito de los IGBT comunes se han valorado hasta un 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 debe cumplirse el procedimiento de apagado dentro de este plazo. Para cumplir con este requisito, los amplificadores de aislamientos utilizan diferentes métodos.


Proteccion2Por ejemplo, el ACPL-C79A tiene un tiempo de respuesta rápida de 1.6 µs para una entrada escalonada. Eso permite que el amplificador capture los transientes durante las condiciones de cortocircuito y de sobrecarga (ver Figura 2) [5]. El retraso de la propagación de la señal de entrada a la salida en el punto medio es de sólo 2 µs, mientras que sólo se necesita 2.6 µs para que 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 ganancia de ± 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 la familia ACPL-C79A están certificados para soportar un pico en la tensión de aislamiento de 1230 V, y pueden rechazar ruido trasiente de modo común de hasta 15 kV /µs. Estas características se entregan en un paquete SO-8 que tiene un tamaño un 30 % menor que el paquete estándar DIP-8.


Otro ejemplo es el HCPL-788J, que adopta un enfoque diferente para lograr una respuesta rápida en la detección de sobrecorriente (Figura 3) [6, 7]. Además del vástago de la señal de salida, viene con un vástago de falla que cambia rápidamente de alto a bajo para indicar una condición de sobrecorriente. Este amplificador de aislamiento proporciona una precisión de medición de ± 3 %.


Dentro del diseño de retroalimentación de fallas, una cuestión con la que el diseño debe lidiar son los disparos por interferencia. Los disparos por interferencia son una falsa activación de la detección de fallas en ausencia de cualquier condición de falla aparente que pueda dañar los IGBTs. Para evitar falsas alarmas, el HCPL-788J cuenta con un circuito discriminador de pulso para inhibir eficazmente la influencia de las fallas di/dt y dv/dt. La ventaja de este método es que el rechazo es independiente de la amplitud, lo que significa que el umbral de fallas se puede establecer en un nivel mucho más bajo sin aumentar el riesgo de disparos por interferencia.


Proteccion3En la implementación del circuito para lograr la detección rápida de fallas, se utilizan dos comparadores en el bloque de detección de fallas para detectar los umbrales de fallas negativos y positivos. El umbral de conmutación es igual a la referencia del modulador sigma-delta de 256 mV. Las salidas de estos comparadores están conectadas a filtros de supresión 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 tan rápido como sea posible, se utilizan dos únicas secuencias de codificación digital para representar 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 se interrumpe y el flujo de bits es reemplazado con el código de falla. Estos dos códigos de falla se desvían significativamente del régimen normal de codificación, por lo que en el lado del detector 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 través del límite de aislamiento es de alrededor de 1 ms. La adición del retraso de 400 ns al filtro antialiasing da un retraso de propagación de 1.4 ms. El retraso entre el evento de falla y la señal 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 conecten entre sí, lo que permite conectar múltiples partes (wire-ORed) para crear una única señal de falla (véase la parte superior derecha de la Figura 5) [6]. Esta señal puede utilizarse luego para desactivar directamente las entradas PWM a través del controlador.


Proteccion4Detección de sobrecarga
Una condición de sobrecarga se refiere a una situación en la que la corriente del motor excede la corriente nominal de la unidad, pero no tanto como para poner el inversor o el motor en peligro inmediato de falla, por ejemplo, si el motor está mecánicamente sobrecargado o una situación de bloqueo del motor como resultado de una falla del cojinete.


Los inversores se suelen especificar con una capacidad de sobrecarga adicional al valor nominal. El periodo de tiempo de la capacidad de sobrecarga permisible depende del intervalo de tiempo antes de que el sobrecalentamiento se convierta en un problema. Una capacidad de sobrecarga 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 la hoja de datos se basan en un rango de entrada nominal de ± 200 mV. Un diseñador tiene la flexibilidad de elegir el umbral de sobrecarga en cualquiera de las dos figuras, o en el medio. Si la precisión de la medición de la corriente de sobrecarga con el umbral cerca de 300 mV es menos estricta en comparación con la de la corriente de funcionamiento normal, lo cual suele ser el caso, es una buena elección ya que esto permite un uso completo del rango dinámico de entrada del amplificador de aislamiento. Sin embargo, si se fija el umbral a 200 mV garantiza la precisión de la medición de la corriente de sobrecarga. Una vez que se han decidido los niveles de tensión, el diseñador tiene que elegir el valor apropiado de la resistencia de detección de acuerdo al nivel de corriente correspondiente.


Proteccion5El HCPL-788J incluye una característica adicional, la salida ABSVAL, que puede ser utilizada para simplificar el circuito de detección de sobrecarga. El circuito ABSVAL rectifica la señal de salida, proporcionando una señal de salida proporcional al nivel absoluto de la señal de entrada según la fórmula:

ABSVAL = |ENT V| *REF V,EXT / 252mV

Esta salida también puede ser cableada (wire OR-able). Cuando se combinan tres fases sinusoidales del motor, la salida rectificada (ABSVAL) es esencialmente una señal de corriente continua que representa la corriente RMS del motor. Esta señal de CC y un comparador de umbral pueden indicar las condiciones de sobrecarga del motor antes de producir daños al motor o al controlador (véase la parte inferior derecha de la Figura 5).


Detección de sobretensión
La tensión del bus de CC también debe ser mantenida bajo constante control. Bajo ciertas condiciones de funcionamiento, un motor puede actuar como un generador, devolviendo un alto voltaje al bus de CC a través del dispositivo de alimentación del inversor y / o los diodos de recuperación. Esta alta tensión se añade a la tensión de CC y forma un pico muy elevado aplicado a los IGBTs. Este pico puede exceder el máximo voltaje del colector-emisor del IGBT y causar daños.


Proteccion6El amplificador de aislamiento miniatura (ACPL-C79A) se utiliza a menudo como un sensor de voltaje en aplicaciones de control de bus de CC (Figura 6). Un diseñador debe reducir la tensión del bus de CC para adaptarse a la gama de entrada del amplificador de aislamiento eligiendo los valores de R1 y R2 de acuerdo a la proporción adecuada.


Conclusión
Los amplificadores de aislamiento de Avago Technologies proporcionan un método eficaz para proteger los IGBTs contra condiciones de sobrecorriente, sobrecarga y sobretensión, además de su función de detección de corriente/tensión. El uso de estos dispositivos, junto con controladores de puerta con múltiples funciones como el ACPL-332J, un esquema de protección 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 1200V Applications,” 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.” PCIM Europe, 1998, Vol.10 no.4, pp. 182-186.

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