《電子技術(shù)應(yīng)用》
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更換老化的柵極驅(qū)動光電耦合器

2019-04-30
關(guān)鍵詞: 光電耦合器 IGBT CMTI

  電機用于電梯,、食品加工設(shè)備、工廠自動化,、機器人,、起重機……這樣的例子不勝枚舉,。交流感應(yīng)電機在這種應(yīng)用中很常見,且總是通過用于電源級的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來實現(xiàn)驅(qū)動,。典型的總線電壓為200 VDC至1,000 VDC,。IGBT采用電子換向,以實現(xiàn)交流感應(yīng)電機所需的正弦電流,。

  在設(shè)計電機驅(qū)動器時,,保護操作重型機械的人員免受電擊是首要考慮因素,其次應(yīng)考慮效率,、尺寸和成本因素,。雖然IGBT可處理驅(qū)動電機所需的高電壓和電流,但它們不提供防止電擊的安全隔離,。在系統(tǒng)中提供安全隔離的重要任務(wù)由驅(qū)動IGBT的柵極驅(qū)動器完成,。

  光電隔離柵極驅(qū)動器已成功用于驅(qū)動IGBT,并提供電流安全隔離,。光電隔離柵極驅(qū)動器的輸入級包含單個鋁鎵砷(AlGaAs)LED,。輸出級包括一個光電探測器和放大器,然后是驅(qū)動輸出的上拉和下拉晶體管,。最終封裝中厚層透明硅樹脂將輸入和輸出級分開,,并提供了安全隔離。電流驅(qū)動輸入級的簡易性,、良好的抗噪性和安全隔離是電機驅(qū)動器制造商幾乎在所有設(shè)計中都采用光電隔離柵極驅(qū)動器的主要原因,。

  然而,,現(xiàn)代系統(tǒng)不斷增長的需求已突破光電隔離技術(shù)的限制。例如,,共模瞬變抗擾度(CMTI)在總線電壓和電流都很大的高功率系統(tǒng)中的作 用至關(guān)重要,。IGBT需要更快地切換,以降低開關(guān)損耗并降低功耗,。碳化硅(SiC)場效應(yīng)晶體管(FET)在這些應(yīng)用中越來越受歡迎,,因為它們的切換速度快于IGBT。無論您使用IGBT抑或SiC FET作為功率FET,,更快的切換速度意味著更高的瞬態(tài)電壓(dv/dt)和更大的共模瞬變,,它們可耦合回柵極驅(qū)動器輸入,破壞功率FET的柵極驅(qū)動信號,。

  光電隔離柵極驅(qū)動器的CMTI額定值僅為35 V/ns至50 V/ns,,這限制了功率FET的切換速度。這導(dǎo)致功率FET的功耗更高,、效率更低,、尺寸更大、系統(tǒng)成本更高,。光電隔離柵極驅(qū)動器(采用6管腳小外形封裝,,帶寬管腳)額定工作電壓為1,414 VPK。但是光電學(xué)制造商沒有提供任何有關(guān)使用壽命的指南,。此外,,最高工作溫度僅為105°C(Tj = 125°C),且LED老化效應(yīng)進一步限制了可使用光電隔離柵極驅(qū)動器的應(yīng)用,,從而使驅(qū)動器制造商尋求替代解決方案,。 UCC23513是一款3-A、5-kVRMS光兼容單通道隔離式柵極驅(qū)動器,。其采用電容隔離技術(shù),,帶6引腳封裝。德州儀器專有的仿真二極管(e-diode)技術(shù)構(gòu)成了電流驅(qū)動的輸入級,。與LED不同,,它不會老化。使用構(gòu)成半導(dǎo)體工藝一部分的具有高純度二氧化硅(SiO2)電介質(zhì)的電容器可實現(xiàn)高壓安全隔離,。其工藝與制造金屬氧化物半導(dǎo)體FET的工藝相同,。

  由于半導(dǎo)體工藝具有極其嚴(yán)格的公差,因此可極好地控制SiO2電介質(zhì)的純度和厚度,。在工作電壓為1060VRMS(1500 VPK)時,,器件的使用壽命可保證高于50年,并實現(xiàn)極低的器件間差異,而光電隔離無法做到,。 憑借>150 V/ns的CMTI額定值,,UCC23513可承受極高的dv/dt,極其適合需極快切換IGBT的應(yīng)用,,以降低功率損耗并實現(xiàn)高系統(tǒng)效率,。UCC23513的最高工作溫度為125°C(Tj = 150°C),可用于環(huán)境溫度較高的系統(tǒng),。其他優(yōu)勢包括更低的傳播延遲,、更低的脈沖寬度失真和更低的器件到器件偏移,使驅(qū)動器制造商能夠提高脈沖寬度調(diào)制頻率,,降低失真,同時提高系統(tǒng)效率,。 UCC23513具有更長的使用壽命,、更高的CMTI和更大的溫度范圍,是對傳統(tǒng)光電隔離柵極驅(qū)動器的一次徹底升級,。


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