基于太陽能和風(fēng)能等可再生能源的家庭能源系統(tǒng)正越來越受到消費(fèi)者的歡迎，并得到了政府部門越來越有力的支持。然而，這樣的系統(tǒng)需要故障保護(hù)以使產(chǎn)品達(dá)到消費(fèi)者要求的使用壽命，同時(shí)也要有隔離以確保消費(fèi)者的安全。兩種功能的集成有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低成本。
典型的可再生能源系統(tǒng)有多個(gè)在不同電壓域運(yùn)行的組成部分（見圖1）。系統(tǒng)的一端是電源，如太陽能電池板，風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和電池。主要電源 – 太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī) – 通常包括某種形式的功率調(diào)節(jié)。在使用太陽能電池板的的情況下，這種調(diào)節(jié)包括一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于理順電池板上依賴照明的原直流電壓和最大功 率點(diǎn)跟蹤電路，以使電池板上的負(fù)載與其輸出電平相匹配。對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)，一個(gè)整流器和DC-DC轉(zhuǎn)換器的組合把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不穩(wěn)定交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的直流電壓。
由于電池組是一個(gè)能儲(chǔ)存和傳遞能量的輔助電源，所以其與直流傳輸線的連接要比與主要電源的連接更為復(fù)雜。在充電時(shí)，電池充電控制器必須控制其傳輸?shù)碾妷汉碗娏�，也要限制系統(tǒng)從電池用電時(shí)的功率。逆變器傳輸?shù)慕涣麟娫匆约爸饕娫刺峁┑闹绷麟娫吹碾娏鞲袘?yīng)確定了能量通過電池充電控制器的方式和數(shù)量。
圖1. 家庭替代能源系統(tǒng)需要將高壓電源電路和管理能流的控制器隔離連接（紅色）。
這種情況允許多個(gè)電源共用一個(gè)共同的連接，即直流傳輸線，來驅(qū)動(dòng)逆變器為住戶提供標(biāo)準(zhǔn)的交流電源。逆變器可在系統(tǒng)發(fā)電超過當(dāng)?shù)氐男枨髸r(shí)把電量送回電網(wǎng)。為了最大限度地提高電網(wǎng)兼容的交流電壓的效率，家庭替代能源系統(tǒng)通常使用600V到1200V的直流傳輸線電壓。
家庭替代能源系統(tǒng)中的逆變器，通過把直流電壓轉(zhuǎn)換成大約50kHz的單相或者三相交流電，功率在1kW到30kW之間。為了完成這種轉(zhuǎn)換，通常用脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)來控制絕緣柵雙極型功率管(IGBT)的切換來得到理想的頻率和電壓電流。
控制處理器的加強(qiáng)絕緣
逆變器的PWM開關(guān)和電池充電控制器的運(yùn)作均取決于在任何特定時(shí)刻系統(tǒng)須提供的瞬時(shí)交流電源。為了控制此動(dòng)態(tài)要求，家庭替代能源系統(tǒng)通常采用基于處理器的系統(tǒng)控制器來監(jiān)控交流負(fù)載和直流傳輸線電流，并驅(qū)動(dòng)操縱電池控制器和逆變器操作的開關(guān)晶體管。系統(tǒng)控制器還監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，并控制系統(tǒng)對(duì)故障情況的反應(yīng)，如短路、過載或源動(dòng)力不足等。
然而，該系統(tǒng)控制器運(yùn)行在一個(gè)與其控制的元件不同的電壓域。盡管電源工作在幾十伏的電壓域，直流傳輸線工作在幾百伏的電壓域，但系統(tǒng)控制器的邏輯電路一般工作在3V-5V的電壓域。為了盡量減少發(fā)生故障時(shí)對(duì)控制器的損害，必須適當(dāng)隔離功率和邏輯電壓域。這樣的隔離不僅可用來保護(hù)高直流傳輸線電壓下的控制器邏輯，還有助于保護(hù)通常通過控制器界面與系統(tǒng)進(jìn)行交互的用戶。
為高壓控制連接提供隔離的最好方法就是安裝門極驅(qū)動(dòng)光耦合器。僅用高電壓驅(qū)動(dòng)IC（集成電路）或磁耦合只能在電壓域之間提供基本的絕緣分離，而且它們需依賴包裝或線圈內(nèi)絕緣材料的完整性。這種絕緣故障會(huì)導(dǎo)致高電壓直接連接至邏輯電源，隨即產(chǎn)生破壞性后果。
另一方面，Avago Technologies光耦合器能提供增強(qiáng)型電隔離(圖2)，從而提高了安全性和系統(tǒng)可靠性。像其它的高電壓IC一樣，這些門極驅(qū)動(dòng)光耦合器能接受邏輯電平控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)IGBT的門極來開關(guān)高壓電源。但加強(qiáng)絕緣使用單一的絕緣隔障來提供兩級(jí)保護(hù)：一個(gè)基本保護(hù)和一個(gè)輔助保護(hù)。如果一級(jí)失敗，另一級(jí)仍然存在，因此本系統(tǒng)被認(rèn)為是故障安全型。
Avago的門極驅(qū)動(dòng)光耦合器開關(guān)電源設(shè)計(jì)在附加屬性上有幾大亮點(diǎn)。一個(gè)是高共模噪聲抑制，這有助于防止PWM開關(guān)噪聲反作用于系統(tǒng)控制器。另一個(gè)是開關(guān)的精度。
圖2. 光耦合器中透明導(dǎo)電阻擋層為低壓輸入和高壓輸出提供了更有效的隔離。
圖3. 逆變器設(shè)計(jì)為交替成對(duì)驅(qū)動(dòng)IGBT，這導(dǎo)致的結(jié)果是，如果驅(qū)動(dòng)時(shí)間不能適應(yīng)驅(qū)動(dòng)傳輸延遲的變化，則會(huì)出現(xiàn)短路的危險(xiǎn)。
精準(zhǔn)的開關(guān)裝置提高逆變器效率
動(dòng)力應(yīng)用中的精準(zhǔn)的開關(guān)裝置在不犧牲系統(tǒng)安全性的情況下對(duì)最大化功率轉(zhuǎn)換效率非常重要。為了產(chǎn)生交流電功率信號(hào)，逆變器成對(duì)操控IGBT開關(guān)（圖3）。兩個(gè)開關(guān)應(yīng)該同時(shí)導(dǎo)通，然而如果在關(guān)掉上一組IGBT之前，新的IGBT導(dǎo)通的話就可能導(dǎo)致直流軌道短路和系統(tǒng)損壞。為了杜絕這種情況的發(fā)生，PWM信號(hào)裝置必須在關(guān)閉一個(gè)IGBT和開啟另一個(gè)IGBT之間設(shè)置一定的“停滯時(shí)間”。
遺憾的是，該停滯時(shí)間會(huì)對(duì)逆變器的功率轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利的影響。在停滯時(shí)間內(nèi)，從電源到負(fù)載都沒有電流產(chǎn)生。因此，不是所有的電源能量都能轉(zhuǎn)變并被輸送至負(fù)載，這就降低了系統(tǒng)的效率。
設(shè)計(jì)中停滯時(shí)間的長(zhǎng)短很大程度上取決于控制信號(hào)輸入和門極驅(qū)動(dòng)輸出間的傳播延遲時(shí)的設(shè)備到設(shè)備變率。安全值應(yīng)至少等同于設(shè)備所顯示的最快開啟和最慢關(guān)閉之間的差值。設(shè)備開關(guān)越精準(zhǔn) (即越低的變率），那么設(shè)計(jì)中所需要的停滯時(shí)間則越短。Avago的門極驅(qū)動(dòng)光耦合器在典型的逆變器設(shè)計(jì)中，當(dāng)開關(guān)切換間的變率小于200ns或少于開關(guān)周期的1%時(shí)，就能允許逆變器獲得高過95%的功率轉(zhuǎn)換效率。
盡管高轉(zhuǎn)換效率在逆變器設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，但它并不是家庭替代動(dòng)力系統(tǒng)所需的唯一屬性。為了使消費(fèi)者接受此類系統(tǒng)，它們必須擁有15-20年的使用壽命，而且要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，逆變器的可靠性也是一個(gè)至關(guān)重要的因素。修理或更換逆變器需花費(fèi)2000-4000美元或原裝系統(tǒng)成本的10%。所以，為了有效利用成本，逆變器的設(shè)計(jì)應(yīng)包括對(duì)常見故障模式的保護(hù)功能。
保護(hù)功能確保了逆變器使用壽命的延長(zhǎng)
逆變器中需要保護(hù)的最關(guān)鍵部件是IGBT。這些設(shè)備在20年的系統(tǒng)使用壽命內(nèi)，在很多情況下都很可能發(fā)生故障。在保護(hù)功能失靈時(shí)，交流電輸出的短路IGBT門極電壓過低、開關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的噪音和系統(tǒng)控制器故障等都可能導(dǎo)致IGBT損壞。
在很多狀況下，可以通過檢查IGBT的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)查看損壞是如何產(chǎn)生的。正常操作時(shí)，IGBT的門極驅(qū)動(dòng)（VGE），一般為15V左右，在開啟時(shí)已足以使晶體管達(dá)到飽和度。達(dá)到飽和時(shí)，IGBT可以處理幾百安培的電流而集射電壓 (VCE) 壓降很�。▓D4），這樣就可以降低功率的損失和IGBT的發(fā)熱。為了達(dá)到飽和狀態(tài)，門極驅(qū)動(dòng)電壓至少要達(dá)到12V。
在家庭替代能源系統(tǒng)中，提供門極驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)電源電壓有時(shí)可能降至12V以下。發(fā)生這種現(xiàn)象是由于光線不足、低風(fēng)力或其它自然發(fā)生的現(xiàn)象等所引起的主電能輸入較低。這種現(xiàn)象也可能在系統(tǒng)上電期間，在邏輯電平穩(wěn)定之前發(fā)生。如果邏輯電源低，光耦合器的門極驅(qū)動(dòng)也會(huì)較低。
低門極驅(qū)動(dòng)（~10V）使得IGBT（隔離門雙極晶體管）滑入其線性工作區(qū)，這具有潛在的災(zāi)難性后果。在IGBT的線性工作區(qū)，VCE（集電極與發(fā)射極間電壓）可以快速升高，當(dāng)通過設(shè)備的電流消耗超過某一臨界值時(shí)，這個(gè)值通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于逆變器的預(yù)期容量。這種上升的電壓和電流消耗一起導(dǎo)致IGBT過熱，可迅速導(dǎo)致設(shè)備的損壞或故障。
即使采用了符合設(shè)計(jì)水平的門極驅(qū)動(dòng)，如果通過IGBT的電流消耗過多，IGBT也可滑出其飽和區(qū)（圖5）。這種過多的電流消耗可能是由于交流線路的過載、逆變器供電軌的短路、或通過PWM(脈寬調(diào)制）開關(guān)來調(diào)節(jié)輸出電壓的控制器發(fā)生故障所致。就低門極驅(qū)動(dòng)條件而言，由于電流消耗過多而導(dǎo)致的飽和度減少表現(xiàn)在VCE隨之升高和過熱損壞設(shè)備。
圖4. 如果門極驅(qū)動(dòng)電壓過低，IGBT可能在線性區(qū)而非飽和區(qū)運(yùn)行，這將導(dǎo)致設(shè)備功率消耗過大的風(fēng)險(xiǎn)。
圖5. 通過IGBT電流消耗過多，如因低負(fù)荷等，可能導(dǎo)致飽和度減小和功率消耗增加。
圖6. 過快地關(guān)掉IGBT會(huì)因源于寄生電感的反電動(dòng)勢(shì)而導(dǎo)致過沖損壞。
圖7. 寄生米勒電容可以通過驅(qū)動(dòng)器放電，以保持IGBT開啟并形成短路。
如果導(dǎo)軌電源和IGBT之間的連接有太多的電感，迅速關(guān)掉一個(gè)IGBT——如在故障引發(fā)逆變器關(guān)斷時(shí)——可能觸發(fā)另一種故障模式。中斷電流的反電動(dòng)勢(shì)通過電感在通過IGBT時(shí)產(chǎn)生電壓尖峰(圖6）。這種過沖電壓，如果足夠高，可能會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂，破壞設(shè)備。過沖電壓取決于電路的寄生電感和IGBT的切換時(shí)間。
門極和集電極之間的寄生米勒電容能引起基于IGBT的逆變器設(shè)計(jì)的第四個(gè)主要故障模式。米勒電容的放電路徑從門極驅(qū)動(dòng)器貫穿到地面（圖7），形成一個(gè)橫過門電阻和驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗的電壓降。如果米勒電容擁有足夠的電荷，電壓降可以使IGBT在其驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉后仍保持開啟。這將導(dǎo)致逆變器軌與軌間的短路，類似于切換時(shí)沒有足夠的停滯時(shí)間時(shí)的情形。
集成保護(hù)降低成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性
防止此類故障的保護(hù)電路可以試用分列元件來設(shè)計(jì)在變頻器中。然而，Avago的ACPL門極驅(qū)動(dòng)光耦合器提供了一個(gè)集成替代品，從而減少離散設(shè)計(jì)的成本、電路板空間和離散設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工作。光耦合器為四個(gè)主要的IGBT故障模式提供保護(hù)。
為了消除門極電壓不足造成的問題，Avago的ACPL光耦合器采用了一個(gè)欠壓鎖定(UVLO)功能。UVLO電路電源對(duì)光耦合器輸出進(jìn)行零電壓鉗位，直到電源電壓達(dá)到UVLO的正向閾值，猜釋放夾鉗。如果電源電壓保持在閾值附近，電路就會(huì)出現(xiàn)滯后作用，以防止振動(dòng)。直到電源電壓下降低于正向閾值電壓大約兩伏時(shí)，夾鉗才會(huì)重新嚙合。
光耦合器的去飽和檢測(cè)器可以防止負(fù)載短路和其他觸發(fā)狀況引起的逆變器損壞。該檢測(cè)器監(jiān)控IGBT的 VCE，如果電壓超過預(yù)設(shè)的7V的閥值，光耦合器就會(huì)驅(qū)動(dòng)并啟動(dòng)局部故障停機(jī)時(shí)序。該停機(jī)時(shí)序可以發(fā)出故障信號(hào)，以便使控制器可以適時(shí)地實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的關(guān)閉、重置或恢復(fù)。
圖8. 為了防止Avago的光耦合器過沖，可以使用兩階段的IGBT“軟”關(guān)閉。
圖9. 有源米勒箝位防止寄生電容在其驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉時(shí)絕緣門雙極晶體管(IGBT)仍處于開啟狀態(tài)。
關(guān)閉時(shí)序包括IGBT的一個(gè)“軟”關(guān)閉，以防止在響應(yīng)故障時(shí)過沖的潛在損害。軟關(guān)閉采用了兩階段的運(yùn)作，以使IGBT的門極電容放電（圖8）。第一階段激活一個(gè)弱下拉設(shè)備，相對(duì)緩慢的降低門極電壓——防止IGBT電流的快速變化——直到VGE降至2V以下。此時(shí)進(jìn)入第二階段，激活一個(gè)傳導(dǎo)性50倍于第一階段的下拉設(shè)備以使用硬鉗完成關(guān)閉。
光耦合器會(huì)為電流提供一個(gè)低阻抗的放電路徑以防止米勒效應(yīng)導(dǎo)致的寄生開啟（圖9）。有源米勒鉗位監(jiān)控門極電壓，如果VGE低于2V，就要打開一個(gè)直接連接到IGBT門極的晶體管。晶體管繞過驅(qū)動(dòng)器和外部門極電阻，防止米勒電流激活門極。
Avago門極驅(qū)動(dòng)光耦合器的這些保護(hù)電路的集成可以大大提高替代能源系統(tǒng)的安全性和可靠性。這些系統(tǒng)不僅需要將它們的邏輯和電源電壓域隔離開，還需要防止常見的故障情況的發(fā)生。Avago光耦合器所具有的增強(qiáng)型電流屏蔽，為用戶和系統(tǒng)的高電壓之間提供了一個(gè)故障安全屏障，以及內(nèi)置的保護(hù)電路，以簡(jiǎn)化逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低成本。這兩種屬性均有助于提高系統(tǒng)可靠性，能確保替代能源系統(tǒng)具有家庭用戶所需要的安裝壽命和成本效益。
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