隔離驅(qū)動(dòng)IGBT和Power MOSFET等功率器件所需的技巧 - 全文

　　功率器件，如IGBT，Power MOSFET和Bipolar Power Transistor等等，都需要有充分的保護(hù)，以避免如欠壓，缺失飽和，米勒效應(yīng)，過(guò)載，短路等條件所造成的損害。這里介紹了為何光耦柵極驅(qū)動(dòng)器能被廣泛的接受和使用，這不僅是因其所具有的高輸出電流驅(qū)動(dòng)能力，及開(kāi)關(guān)速度快等長(zhǎng)處之外，更重要的，它也具有保護(hù)功率器件的所需功能。這些功率器件的保護(hù)功能包括欠壓鎖定（UVLO），DESAT檢測(cè)，和有源米勒鉗位。在電力轉(zhuǎn)換器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)的應(yīng)用上，所有這些保護(hù)功能都是重要的，因它確保這些系統(tǒng)能安全和穩(wěn)定的操作。另外，能把握如何正確的選用，設(shè)計(jì)這些光耦柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)有效的使用/控制這些功能使到整個(gè)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，高效，可靠，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師不可或缺的技能！

　　1、請(qǐng)問(wèn)：專(zhuān)家可否介紹一下ACP-330J、ACP-C79A絕緣放大器的放大特性，頻率特性以及絕緣特性？謝謝！

　　1） CTR的放大特性 --- ACPL-330J 和 ACPL-C79A 都沒(méi)有CTR的放大特性。雖然所有柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入端均有一個(gè)LED及隔離輸出端均有一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，其操作功能卻與CTR無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗鼈兪强?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)格式下運(yùn)作的。作為探測(cè)器如其可以檢測(cè)到LED是否處于ON或OFF狀態(tài)，其輸出將反映相應(yīng)的功能。例如ACPL-332J的情況 - 它的功能是利用PWM輸入信號(hào)來(lái)造成輸出端輸出同一PWM信號(hào)，進(jìn)而數(shù)字化驅(qū)動(dòng)IGBT或PowerMosfet。它雖也具有特定緩沖驅(qū)動(dòng)能力，但與CTR完全無(wú)關(guān)。同樣的，在ACPL-C79A的情況下，它是一個(gè)電流感測(cè)器 - 它的功能是把輸入電流信息以數(shù)字化（Σ-Δ）編碼，然后以模擬型式把所代表的輸入電流波形以放大倍數(shù)電流波形（無(wú)關(guān)于CTR）發(fā)出到輸出端。

　　2）頻率特性--- ACPL-330J適用于在30kHz？40kHz的頻率上驅(qū)動(dòng)IGBT/ PowerMosfet （如所需的峰值電流《1.5A規(guī)定電流）。 ACPL-C79A是適用于帶寬高達(dá)200kHz的典型電流感應(yīng)。

　　3）絕緣特性--- ACPL-330J和ACPL-C79A均能滿(mǎn)足依據(jù)IEC60747-5-5的安規(guī)所規(guī)定的超強(qiáng)絕緣性能。您也可以從它們的數(shù)據(jù)手冊(cè)，找到更詳細(xì)的資料。

　　2、請(qǐng)問(wèn)：光耦端的控制電流與功率管輸出驅(qū)動(dòng)電流之比是用什么指標(biāo)表示，其最大值是多少？謝謝！

　　全部柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器都沒(méi)有CTR的放大特性。雖然所有柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入端均有一個(gè)LED及隔離輸出端均有一個(gè)光學(xué)探測(cè)器，其操作功能卻與CTR無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)樗鼈兪强繑?shù)字信號(hào)格式下運(yùn)作的。作為探測(cè)器如其可以檢測(cè)到LED是否處于ON或OFF狀態(tài)，其輸出將反映相應(yīng)的功能。例如ACPL-332J的情況 - 它的功能是利用PWM輸入信號(hào)來(lái)造成輸出端輸出同一PWM信號(hào)，進(jìn)而數(shù)字化驅(qū)動(dòng)IGBT或PowerMosfet。它雖也具有特定緩沖驅(qū)動(dòng)能力，但與CTR完全無(wú)關(guān)。 ACPL-332J是能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)2.5A電流的柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器。安華高科技（Avago Technologies）也有能驅(qū)動(dòng)高達(dá)5A電流的柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器。

　　3、請(qǐng)問(wèn)：安華的光電耦合器都是采用DIP-8封裝嗎？業(yè)界經(jīng)常提到DIP-8封裝，請(qǐng)問(wèn)這種封裝方式有何優(yōu)點(diǎn)？謝謝！

　　Avago光耦合器有許多不同類(lèi)型的封裝，它們包括 500-MIL DIP10，400-MIL DIP8，300-MIL DIP8，SO16，SO8，SS08，SO6，SS06，SO5，和SO4等等。每個(gè)封裝都有其自身的特點(diǎn) - 如不同的爬電距離和間隙，以配合不同的應(yīng)用。

　　4、請(qǐng)問(wèn)：為什么要通過(guò)光耦合的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)功率管的柵極？為何不能設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O？各種保護(hù)功能在普通的驅(qū)動(dòng)電路里不能實(shí)現(xiàn)嗎？增加光耦合是否也增加了一個(gè)產(chǎn)生可靠性問(wèn)題的環(huán)節(jié)？謝謝！

　　通過(guò)使用光耦柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)功率器件，可以幫助消除4個(gè)基本問(wèn)題，如1）瞬態(tài)電壓，2）共模噪聲，3）接地回路，和4）電平轉(zhuǎn)換。這4個(gè)基本問(wèn)題不能輕易/圓滿(mǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單的非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器得到解決。集成的柵極驅(qū)動(dòng)器如安華高的ACPL-33xJ，結(jié)合了各種保護(hù)功能于簡(jiǎn)單的集成電路里。集成電路的好處是，它能做到設(shè)備到設(shè)備（或元件到元件）間均非常均勻。這些保護(hù)功能，都可以通過(guò)分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但分立器件將無(wú)法很均勻地，從系統(tǒng)到系統(tǒng)間工作，另外分立器件將造成更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，不能達(dá)到簡(jiǎn)化的作用。所有Avago的光耦合器都經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以確保其可靠性不受到損傷。

　　5、請(qǐng)問(wèn)：有哪些低功耗的IC適合構(gòu)建高效的適合光伏、風(fēng)能應(yīng)用的控制、逆變系統(tǒng)？謝謝！

　　所有安華高的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器都能在極低ICC2電流中運(yùn)作，這可有效減少功率消耗和在高側(cè)驅(qū)動(dòng)允許使用自舉電源。另外，安華高最新的柵極驅(qū)動(dòng)器，如ACPL-P/W34x 能夠在最高200ns這么低的傳播延遲時(shí)間里工作這允許更精確的PWM控制，同時(shí)提高效率。所有這些優(yōu)勢(shì)都使安華高的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器能夠適用于，如光伏逆變器和其他可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　6、請(qǐng)問(wèn)：為什么新設(shè)計(jì)的DESAT只有7V，IGBT極易誤觸發(fā)， desat故障后，故障未復(fù)位前VCC2-VE維持1個(gè)10mA左右的故障反饋光耦驅(qū)動(dòng)電流，在采用穩(wěn)壓管正負(fù)電源分壓方案中，易導(dǎo)致負(fù)電壓偏高。影響分壓比例。謝謝！

　　在正確的選擇下IGBT /功率MOSFET的飽和電壓通常約為1.5V？3V。所以7V的閾值通常是足夠的，因?yàn)樗谕孙柡妥饔孟绿峁┝顺^(guò)4V的邊距電壓。當(dāng)然在市場(chǎng)上也有一些IGBT /功率MOSFET飽和電壓略高或在一些大的散熱器下允許飽和度較高的檢測(cè)閾值的功率器件。但設(shè)計(jì)者可以通過(guò)簡(jiǎn)單的插入比較器來(lái)提高 DESAT閾值。是的，LED的10mA驅(qū)動(dòng)電流在故障條件下是真正必要的。使用高LED故障電流的原因是，它允許在故障條件下能有更好的噪聲抑制。

　　7、請(qǐng)問(wèn)：退飽和檢測(cè)是什么意思，檢測(cè)的是哪一個(gè)點(diǎn)的電壓？謝謝！

　　DESAT是IGBT過(guò)流或短路故障發(fā)生時(shí)，可以檢測(cè)到的情況。在過(guò)流或短路故障發(fā)生時(shí)，IGBT的集電極電壓（或PowerMosfet的漏電極電壓）會(huì)迅速爬升，這種電壓爬升情況可以通過(guò)安華高集成柵極驅(qū)動(dòng)器的DESAT引腳檢測(cè)到。

　　8、請(qǐng)問(wèn)：加入耦合隔離器后會(huì)不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的延遲？通過(guò)什么辦法解決？謝謝！

　　通過(guò)使用光耦柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)功率器件，可以幫助消除4個(gè)基本問(wèn)題，如1）瞬態(tài)電壓，2）共模噪聲，3）接地回路，和4）電平轉(zhuǎn)換。這4個(gè)基本問(wèn)題不能輕易/圓滿(mǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單的非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器得到解決。但加入光耦確實(shí)會(huì)引入信號(hào)傳播延遲時(shí)間，并導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)中提到的死區(qū)時(shí)間。不過(guò)在市場(chǎng)中安華高柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器的死區(qū)時(shí)間是最低的，這有助于減少在怠速狀態(tài)下容易失去的效率。

　　9、請(qǐng)問(wèn)：以前我們?cè)陔姍C(jī)軟起動(dòng)器上用光耦加SCR的方案，如果改為Avago隔離IGBT的方案，需要考慮哪些環(huán)節(jié)？謝謝！

　　在電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)里比較IGBT控制對(duì)可控硅SCR控制的優(yōu)勢(shì)，前者較易關(guān)閉及允許更快的開(kāi)關(guān)操作，但需要考量的是，設(shè)計(jì)師必須確保IGBT的體二極管能夠完全處理在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的再生電流。了解更多Avago IGBT門(mén)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，請(qǐng)點(diǎn)擊鏈接。

　　10、請(qǐng)問(wèn)：DESAT功能在我曾經(jīng)用過(guò)的IGBT中沒(méi)有，是安華高的獨(dú)有技術(shù)嗎？謝謝！

　　11、請(qǐng)問(wèn)：HCPl-316產(chǎn)品如何做到短路時(shí)軟關(guān)斷？謝謝！

　　HCPL-316J 飽和閾值的頂點(diǎn)設(shè)置在7V，這是對(duì)通過(guò)一個(gè)比較實(shí)際的IGBT Vce飽和電壓相比。操作時(shí)的DESAT保護(hù)有2個(gè)部分，1）I GBT的Vce電壓檢測(cè)和比較， 2）一旦越過(guò)閾值水平就激活DESAT保護(hù); 1）檢測(cè)部分，它僅在IGBT導(dǎo)通期間激活。在IGBT關(guān)斷期間，有個(gè)微小的晶體管是導(dǎo)通的以把DESAT電容放電到0V。當(dāng)IGBT導(dǎo)通后，那微小的晶體管被立即？？關(guān)閉，讓250uA恒流，以充電電容，和/或直接流到IGBT，這取決于那個(gè)路徑是處于較低電壓路徑。因此，如果IGBT的開(kāi)啟和負(fù)載配合的飽和點(diǎn)在2V，恒定電流會(huì)流入DESAT電容，直到它到達(dá)2.7V，并從那時(shí)起，恒定電流將流經(jīng)DESAT二極管（造成0.7V壓降），并通過(guò)導(dǎo)通的IGBT。作為DESAT電容的電壓只有2.7V，這仍然是比7V DESAT閾值設(shè)置低，保護(hù)電路將不會(huì)被激活。但是，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路，VCE飽和電壓將立即爬升，到如8V，因超過(guò)7V第二個(gè)部分就開(kāi)始。恒定電流將繼續(xù)充電DESAT電容到超過(guò)7V。由于DESAT電容電平跨越了7V DESAT門(mén)檻，比較器的輸出被激活，保護(hù)電路也被激活。結(jié)果是故障信號(hào)，會(huì)通過(guò)光通道發(fā)送到故障引腳并把那個(gè)故障引腳電平拉低，以通知了解故障的MCU / DSP。在同一時(shí)間，那1X小粒晶體管會(huì)導(dǎo)通，把IGBT的柵極電平通過(guò)RG電阻來(lái)放電。由于這種晶體管比實(shí)際關(guān)斷晶體管更小約50倍， IGBT柵極電壓將被逐步放電導(dǎo)致所謂的軟關(guān)機(jī)。 Avago的應(yīng)用筆記 AN5324提供更詳細(xì)的軟關(guān)斷描述。

　　12、請(qǐng)問(wèn)：故障保護(hù)功能有哪些？都是集成在隔離驅(qū)動(dòng)器里嗎？謝謝！

　　3種故障保護(hù)功能都集成到Avago的高集成柵極驅(qū)動(dòng)器ACPL-33xJ里 - UVLO（以避免VCC2電平不足夠時(shí)開(kāi)啟IGBT），DESAT（以保護(hù)IGBT過(guò)電流或短路），和米勒鉗位（以防止寄生米勒電容造成的IGBT誤觸發(fā)）

　　13、請(qǐng)問(wèn)：如何避免米勒效應(yīng)？謝謝！

　　IGBT操作時(shí)所面臨的問(wèn)題之一是米勒效應(yīng)的寄生電容。這種效果是明顯的在0到 15 V類(lèi)型的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器（單電源驅(qū)動(dòng)器）。門(mén)集-電極之間的耦合，在于IGBT關(guān)斷期間，高dV / dt瞬態(tài)可誘導(dǎo)寄生IGBT道通（門(mén)集電壓尖峰），這是潛在的危險(xiǎn)。

　　當(dāng)上半橋的IGBT打開(kāi)操作，dVCE/ dt電壓變化發(fā)生跨越下半橋的IGBT。電流會(huì)流過(guò)米勒的寄生電容，門(mén)極電阻和內(nèi)部門(mén)極驅(qū)動(dòng)電阻。這將倒至門(mén)極電阻電壓的產(chǎn)生。如果這個(gè)電壓超過(guò)IGBT門(mén)極閾值的電壓，可能會(huì)導(dǎo)致寄生IGBT道通。

　　有兩種傳統(tǒng)解決方案。首先是添加門(mén)極和發(fā)射極之間的電容。第二個(gè)解決方法是使用負(fù)門(mén)極驅(qū)動(dòng)。第一個(gè)解決方案會(huì)造成效率損失。第二個(gè)解決方案所需的額外費(fèi)用為負(fù)電源電壓。

　　我們的解決方案是通過(guò)縮短門(mén)極 - 發(fā)射極的路徑，通過(guò)使用一個(gè)額外的晶體管在于門(mén)極 - 發(fā)射極之間。達(dá)到一定的閾值后，晶體管將短路門(mén)極 - 發(fā)射極地區(qū)。這種技術(shù)被稱(chēng)為有源米勒鉗位，提供在我門(mén)的ACPL-3xxJ產(chǎn)品。你可以參考Avago應(yīng)用筆記 AN5314

　　14、請(qǐng)問(wèn)：對(duì)于工作于600V直流母線(xiàn)的30～75A、1200V IGBT而言，ACPL-33x、ACPL-H342 這5顆帶miller鉗位保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)光耦能否僅以單電源供電就能實(shí)現(xiàn)高可靠性驅(qū)動(dòng)，相比于傳統(tǒng)的正負(fù)供電，可靠性是更高，還是有所不足？謝謝！

　　Avago ACPL-332J， ACPL-333J 以及 ACPL-H342 的門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦可以輸出電流 2.5A。這些產(chǎn)品適合驅(qū)動(dòng)1200V，100A類(lèi)型的IGBT。

　　1）當(dāng)使用負(fù)電源，就不需要使用米勒箝位，但需花額外費(fèi)用在負(fù)電源上。

　　2）如果只有單電源可使用，那么設(shè)計(jì)者可以使用內(nèi)部?jī)?nèi)置的有源米勒箝位。

　　這兩種解決方法一樣可靠。米勒箝引腳在不使用時(shí)，需要連接到VEE。

　　15、請(qǐng)問(wèn)：在哪些應(yīng)用場(chǎng)合需要考慮米勒效應(yīng)的影響？謝謝！

　　16、請(qǐng)問(wèn)：我們光伏逆變器是安裝在電廠(chǎng)，環(huán)境溫度相當(dāng)惡劣，請(qǐng)問(wèn)貴公司光耦的工作環(huán)境溫度范圍？謝謝！

　　我們產(chǎn)品的工作環(huán)境溫度范圍可達(dá)-40°C至105°C。在工業(yè)應(yīng)用情況下是足夠的。如果客戶(hù)需要更高的工作溫度，我們的R2Coupler光耦可以運(yùn)作在擴(kuò)展溫度達(dá)到125°C。

　　17、請(qǐng)問(wèn)：欠壓，缺失飽和如何更好的被避免？謝謝！

　　AVAGO門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦帶有欠壓閉鎖（UVLO）保護(hù)功能。當(dāng)IGBT故障時(shí)，門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦供電的電壓可能會(huì)低于閾值。有了這個(gè)閉鎖保護(hù)功能可以確保IGBT繼續(xù)在低電阻狀態(tài)。

　　我們的智能門(mén)極驅(qū)動(dòng)光耦， HCPL-316J和ACPL-33xJ，附帶DESAT檢測(cè)功能。當(dāng)DESAT引腳上的電壓超過(guò)約7V的內(nèi)部參考電壓，而IGBT仍然在運(yùn)行中，后約5μs， Fault 引腳改成邏輯低狀態(tài)，以通知MCU / DSP。

　　在同一時(shí)間，那1X小粒晶體管會(huì)導(dǎo)通，把IGBT的柵極電平通過(guò)RG電阻來(lái)放電。由于這種晶體管比實(shí)際關(guān)斷晶體管更小約50倍， IGBT柵極電壓將被逐步放電導(dǎo)致所謂的軟關(guān)機(jī)。Avago的應(yīng)用筆記 AN5324提供更詳細(xì)的軟關(guān)斷描述。

　　18、請(qǐng)問(wèn)：光耦柵極驅(qū)動(dòng)器最高的輸出電流是多少？謝謝！

　　根據(jù)您選擇的器件型號(hào)，Avago的光耦門(mén)極驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流可以達(dá)到0.4A，0.6A，1.0A，1.5A，2.5A，3.0A，4.0A 以及 5.0A。

　　19、請(qǐng)問(wèn)：最大輸出電流可以達(dá)到多少安培？謝謝！

　　根據(jù)您選擇的器件型號(hào)，Avago的光耦門(mén)極驅(qū)動(dòng)器最大輸出電流可以達(dá)到0.4A，0.6A，1.0A，1.5A，2.5A，3.0A，4.0A 以及 5.0A。

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