基于太阳能和风能等可再生能源的家庭能源系统正越来越受到消费者的欢迎，并得到了政府部门越来越有力的支持。然而，这样的系统需要故障保护以使产品达到消费者要求的使用寿命，同时也要有隔离以确保消费者的安全。两种功能的集成有助于简化系统设计并降低成本。

典型的可再生能源系统有多个在不同电压域运行的组成部分（见图1）。系统的一端是电源，如太阳能电池板，风力涡轮发电机和电池。主要电源 – 太阳能电池板和风力发电机 – 通常包括某种形式的功率调节。在使用太阳能电池板的的情况下，这种调节包括一个DC-DC转换器，用于理顺电池板上依赖照明的原直流电压和最大功 率点跟踪电路，以使电池板上的负载与其输出电平相匹配。对于风力涡轮机，一个整流器和DC-DC转换器的组合把发电机产生的不稳定交流电压转变为稳定的直流电压。

由于电池组是一个能储存和传递能量的辅助电源，所以其与直流传输线的连接要比与主要电源的连接更为复杂。在充电时，电池充电控制器必须控制其传输的电压和电流，也要限制系统从电池用电时的功率。逆变器传输的交流电源以及主要电源提供的直流电源的电流感应确定了能量通过电池充电控制器的方式和数量。

图1. 家庭替代能源系统需要将高压电源电路和管理能流的控制器隔离连接（红色）。

这种情况允许多个电源共用一个共同的连接，即直流传输线，来驱动逆变器为住户提供标准的交流电源。逆变器可在系统发电超过当地的需求时把电量送回电网。为了最大限度地提高电网兼容的交流电压的效率，家庭替代能源系统通常使用600V到1200V的直流传输线电压。

家庭替代能源系统中的逆变器，通过把直流电压转换成大约50kHz的单相或者三相交流电，功率在1kW到30kW之间。为了完成这种转换，通常用脉宽调制信号(PWM)来控制绝缘栅双极型功率管(IGBT)的切换来得到理想的频率和电压电流。

控制处理器的加强绝缘

逆变器的PWM开关和电池充电控制器的运作均取决于在任何特定时刻系统须提供的瞬时交流电源。为了控制此动态要求，家庭替代能源系统通常采用基于处理器的系统控制器来监控交流负载和直流传输线电流，并驱动操纵电池控制器和逆变器操作的开关晶体管。系统控制器还监控系统状态，并控制系统对故障情况的反应，如短路、过载或源动力不足等。

然而，该系统控制器运行在一个与其控制的元件不同的电压域。尽管电源工作在几十伏的电压域，直流传输线工作在几百伏的电压域，但系统控制器的逻辑电路一般工作在3V-5V的电压域。为了尽量减少发生故障时对控制器的损害，必须适当隔离功率和逻辑电压域。这样的隔离不仅可用来保护高直流传输线电压下的控制器逻辑，还有助于保护通常通过控制器界面与系统进行交互的用户。

为高压控制连接提供隔离的最好方法就是安装门极驱动光耦合器。仅用高电压驱动IC（集成电路）或磁耦合只能在电压域之间提供基本的绝缘分离，而且它们需依赖包装或线圈内绝缘材料的完整性。这种绝缘故障会导致高电压直接连接至逻辑电源，随即产生破坏性后果。

另一方面，Avago Technologies光耦合器能提供增强型电隔离(图2)，从而提高了安全性和系统可靠性。像其它的高电压IC一样，这些门极驱动光耦合器能接受逻辑电平控制信号，并驱动IGBT的门极来开关高压电源。但加强绝缘使用单一的绝缘隔障来提供两级保护：一个基本保护和一个辅助保护。如果一级失败，另一级仍然存在，因此本系统被认为是故障安全型。

Avago的门极驱动光耦合器开关电源设计在附加属性上有几大亮点。一个是高共模噪声抑制，这有助于防止PWM开关噪声反作用于系统控制器。另一个是开关的精度。

图2. 光耦合器中透明导电阻挡层为低压输入和高压输出提供了更有效的隔离。

图3. 逆变器设计为交替成对驱动IGBT，这导致的结果是，如果驱动时间不能适应驱动传输延迟的变化，则会出现短路的危险。

精准的开关装置提高逆变器效率

动力应用中的精准的开关装置在不牺牲系统安全性的情况下对最大化功率转换效率非常重要。为了产生交流电功率信号，逆变器成对操控IGBT开关（图3）。两个开关应该同时导通，然而如果在关掉上一组IGBT之前，新的IGBT导通的话就可能导致直流轨道短路和系统损坏。为了杜绝这种情况的发生，PWM信号装置必须在关闭一个IGBT和开启另一个IGBT之间设置一定的“停滞时间”。

遗憾的是，该停滞时间会对逆变器的功率转换效率产生不利的影响。在停滞时间内，从电源到负载都没有电流产生。因此，不是所有的电源能量都能转变并被输送至负载，这就降低了系统的效率。

设计中停滞时间的长短很大程度上取决于控制信号输入和门极驱动输出间的传播延迟时的设备到设备变率。安全值应至少等同于设备所显示的最快开启和最慢关闭之间的差值。设备开关越精准 (即越低的变率），那么设计中所需要的停滞时间则越短。Avago的门极驱动光耦合器在典型的逆变器设计中，当开关切换间的变率小于200ns或少于开关周期的1%时，就能允许逆变器获得高过95%的功率转换效率。

尽管高转换效率在逆变器设计中至关重要，但它并不是家庭替代动力系统所需的唯一属性。为了使消费者接受此类系统，它们必须拥有15-20年的使用寿命，而且要实现这一目标，逆变器的可靠性也是一个至关重要的因素。修理或更换逆变器需花费2000-4000美元或原装系统成本的10%。所以，为了有效利用成本，逆变器的设计应包括对常见故障模式的保护功能。

保护功能确保了逆变器使用寿命的延长

逆变器中需要保护的最关键部件是IGBT。这些设备在20年的系统使用寿命内，在很多情况下都很可能发生故障。在保护功能失灵时，交流电输出的短路IGBT门极电压过低、开关瞬态产生的噪音和系统控制器故障等都可能导致IGBT损坏。

在很多状况下，可以通过检查IGBT的运转状态查看损坏是如何产生的。正常操作时，IGBT的门极驱动（VGE），一般为15V左右，在开启时已足以使晶体管达到饱和度。达到饱和时，IGBT可以处理几百安培的电流而集射电压 (VCE) 压降很小（图4），这样就可以降低功率的损失和IGBT的发热。为了达到饱和状态，门极驱动电压至少要达到12V。

在家庭替代能源系统中，提供门极驱动的系统电源电压有时可能降至12V以下。发生这种现象是由于光线不足、低风力或其它自然发生的现象等所引起的主电能输入较低。这种现象也可能在系统上电期间，在逻辑电平稳定之前发生。如果逻辑电源低，光耦合器的门极驱动也会较低。

低门极驱动（~10V）使得IGBT（隔离门双极晶体管）滑入其线性工作区，这具有潜在的灾难性后果。在IGBT的线性工作区，VCE（集电极与发射极间电压）可以快速升高，当通过设备的电流消耗超过某一临界值时，这个值通常远远低于逆变器的预期容量。这种上升的电压和电流消耗一起导致IGBT过热，可迅速导致设备的损坏或故障。

即使采用了符合设计水平的门极驱动，如果通过IGBT的电流消耗过多，IGBT也可滑出其饱和区（图5）。这种过多的电流消耗可能是由于交流线路的过载、逆变器供电轨的短路、或通过PWM(脉宽调制）开关来调节输出电压的控制器发生故障所致。就低门极驱动条件而言，由于电流消耗过多而导致的饱和度减少表现在VCE随之升高和过热损坏设备。

图4. 如果门极驱动电压过低，IGBT可能在线性区而非饱和区运行，这将导致设备功率消耗过大的风险。

图5. 通过IGBT电流消耗过多，如因低负荷等，可能导致饱和度减小和功率消耗增加。

图6. 过快地关掉IGBT会因源于寄生电感的反电动势而导致过冲损坏。

图7. 寄生米勒电容可以通过驱动器放电，以保持IGBT开启并形成短路。

如果导轨电源和IGBT之间的连接有太多的电感，迅速关掉一个IGBT——如在故障引发逆变器关断时——可能触发另一种故障模式。中断电流的反电动势通过电感在通过IGBT时产生电压尖峰(图6）。这种过冲电压，如果足够高，可能会导致半导体的内部结构破裂，破坏设备。过冲电压取决于电路的寄生电感和IGBT的切换时间。

门极和集电极之间的寄生米勒电容能引起基于IGBT的逆变器设计的第四个主要故障模式。米勒电容的放电路径从门极驱动器贯穿到地面（图7），形成一个横过门电阻和驱动器输出阻抗的电压降。如果米勒电容拥有足够的电荷，电压降可以使IGBT在其驱动器关闭后仍保持开启。这将导致逆变器轨与轨间的短路，类似于切换时没有足够的停滞时间时的情形。

集成保护降低成本和设计复杂性

防止此类故障的保护电路可以试用分列元件来设计在变频器中。然而，Avago的ACPL门极驱动光耦合器提供了一个集成替代品，从而减少离散设计的成本、电路板空间和离散设计的设计工作。光耦合器为四个主要的IGBT故障模式提供保护。

为了消除门极电压不足造成的问题，Avago的ACPL光耦合器采用了一个欠压锁定(UVLO)功能。UVLO电路电源对光耦合器输出进行零电压钳位，直到电源电压达到UVLO的正向阈值，猜释放夹钳。如果电源电压保持在阈值附近，电路就会出现滞后作用，以防止振动。直到电源电压下降低于正向阈值电压大约两伏时，夹钳才会重新啮合。

光耦合器的去饱和检测器可以防止负载短路和其他触发状况引起的逆变器损坏。该检测器监控IGBT的 VCE，如果电压超过预设的7V的阀值，光耦合器就会驱动并启动局部故障停机时序。该停机时序可以发出故障信号，以便使控制器可以适时地实现控制系统的关闭、重置或恢复。

图8. 为了防止Avago的光耦合器过冲，可以使用两阶段的IGBT“软”关闭。

图9. 有源米勒箝位防止寄生电容在其驱动器关闭时绝缘门双极晶体管(IGBT)仍处于开启状态。

关闭时序包括IGBT的一个“软”关闭，以防止在响应故障时过冲的潜在损害。软关闭采用了两阶段的运作，以使IGBT的门极电容放电（图8）。第一阶段激活一个弱下拉设备，相对缓慢的降低门极电压——防止IGBT电流的快速变化——直到VGE降至2V以下。此时进入第二阶段，激活一个传导性50倍于第一阶段的下拉设备以使用硬钳完成关闭。

光耦合器会为电流提供一个低阻抗的放电路径以防止米勒效应导致的寄生开启（图9）。有源米勒钳位监控门极电压，如果VGE低于2V，就要打开一个直接连接到IGBT门极的晶体管。晶体管绕过驱动器和外部门极电阻，防止米勒电流激活门极。

Avago门极驱动光耦合器的这些保护电路的集成可以大大提高替代能源系统的安全性和可靠性。这些系统不仅需要将它们的逻辑和电源电压域隔离开，还需要防止常见的故障情况的发生。Avago光耦合器所具有的增强型电流屏蔽，为用户和系统的高电压之间提供了一个故障安全屏障，以及内置的保护电路，以简化逆变器系统设计并降低成本。这两种属性均有助于提高系统可靠性，能确保替代能源系统具有家庭用户所需要的安装寿命和成本效益。

如需获得产品信息和分销商的完整列表，请访问官方网站http://www.avagotech.com。