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隔离驱动IGBT和Power MOSFET等功率器件所需的技巧

来源:作者:2013-03-26点击:326

来源:ed-china

功率器件,如IGBT,Power MOSFET和Bipolar Power Transistor等等,都需要有充分的保护,以避免如欠压,缺失饱和,米勒效应,过载,短路等条件所造成的损害。这里介绍了为何光耦栅极驱动器能被广泛的接受和使用,这不仅是因其所具有的高输出电流驱动能力,及开关速度快等长处之外,更重要的,它也具有保护功率器件的所需功能。这些功率器件的保护功能包括欠压锁定(UVLO),DESAT检测,和有源米勒钳位。在电力转换器,电机驱动,太阳能和风力发电等系统的应用上,所有这些保护功能都是重要的,因它确保这些系统能安全和稳定的操作。另外,能把握如何正确的选用,设计这些光耦栅极驱动器来有效的使用/控制这些功能使到整个系统更简单,高效,可靠,是系统设计工程师不可或缺的技能!

  1、请问:专家可否介绍一下ACP-330J、ACP-C79A绝缘放大器的放大特性,频率特性以及绝缘特性?谢谢!

  1) CTR的放大特性 --- ACPL-330J 和 ACPL-C79A 都没有CTR的放大特性。虽然所有栅极驱动光耦合器的输入端均有一个LED及隔离输出端均有一个光学探测器, 其操作功能却与CTR无关紧要,因为它们是靠数字信号格式下运作的。作为探测器如其可以检测到LED是否处于ON或OFF状态,其输出将反映相应的功能。例如ACPL-332J的情况 - 它的功能是利用PWM输入信号来造成输出端输出同一PWM信号,进而数字化驱动IGBT或PowerMosfet。它虽也具有特定缓冲驱动能力, 但与CTR完全无关。 同样的,在ACPL-C79A的情况下,它是一个电流感测器 - 它的功能是把输入电流信息以数字化(Σ-Δ)编码,然后以模拟型式 把所代表的输入电流波形以放大倍数电流波形(无关于CTR)发出到输出端。

  2)频率特性--- ACPL-330J适用于在30kHz?40kHz的频率上驱动IGBT/ PowerMosfet (如所需的峰值电流《1.5A规定电流)。 ACPL-C79A是适用于带宽高达200kHz的典型电流感应。

  3)绝缘特性--- ACPL-330J和ACPL-C79A均能满足依据IEC60747-5-5的安规所规定的超强绝缘性能。您也可以从它们的数据手册,找到更详细的资料。

  2、请问:光耦端的控制电流与功率管输出驱动电流之比是用什么指标表示,其最大值是多少?谢谢!

  全部栅极驱动光耦合器都没有CTR的放大特性。虽然所有栅极驱动光耦合器的输入端均有一个LED及隔离输出端均有一个光学探测器,其操作功能却与CTR无关紧要,因为它们是靠数字信号格式下运作的。作为探测器如其可以检测到LED是否处于ON或OFF状态,其输出将反映相应的功能。例如ACPL-332J的情况 - 它的功能是利用PWM输入信号来造成输出端输出同一PWM信号,进而数字化驱动IGBT或PowerMosfet。它虽也具有特定缓冲驱动能力,但与CTR完全无关。 ACPL-332J是能够驱动高达2.5A电流的栅极驱动光耦合器。安华高科技(Avago Technologies)也有能驱动高达5A电流的栅极驱动光耦合器。

  3、请问:安华的光电耦合器都是采用DIP-8封装吗?业界经常提到DIP-8封装,请问这种封装方式有何优点?谢谢!

  Avago光耦合器有许多不同类型的封装,它们包括 500-MIL DIP10,400-MIL DIP8,300-MIL DIP8,SO16,SO8,SS08,SO6,SS06,SO5,和SO4等等。 每个封装都有其自身的特点 - 如不同的爬电距离和间隙,以配合不同的应用。

  4、请问:为什么要通过光耦合的方式来驱动功率管的栅极? 为何不能设计合适的驱动电路直接驱动栅极?各种保护功能在普通的驱动电路里不能实现吗? 增加光耦合是否也增加了一个产生可靠性问题的环节?谢谢!

  通过使用光耦栅极驱动器驱动功率器件,可以帮助消除4个基本问题,如1)瞬态电压,2)共模噪声,3)接地回路,和4)电平转换。这4个基本问题不能轻易/圆满通过简单的非隔离式栅极驱动器得到解决。集成的栅极驱动器如安华高的ACPL-33xJ, 结合了各种保护功能于简单的集成电路里。集成电路的好处是, 它能做到设备到设备(或元件到元件)间均非常均匀。这些保护功能,都可以通过分立器件来实现,但分立器件将无法很均匀地,从系统到系统间工作,另外分立器件将造成更复杂的设计,不能达到简化的作用。所有Avago的光耦合器都经过精心设计,以确保其可靠性不受到损伤。

  5、请问:有哪些低功耗的IC适合构建高效的适合光伏、风能应用的控制、逆变系统?谢谢!

  所有安华高的隔离栅极驱动器都能在极低ICC2电流中运作,这可有效减少功率消耗和在高侧驱动允许使用自举电源。另外,安华高最新的栅极驱动器,如ACPL-P/W34x 能够在最高200ns这么低的传播延迟时间里工作 这允许更精确的PWM控制,同时提高效率。所有这些优势都使安华高的隔离栅极驱动器能够适用于, 如光伏逆变器和其他可再生能源转换系统中应用。

  6、请问:为什么新设计的DESAT只有7V,IGBT极易误触发, desat故障后,故障未复位前VCC2-VE维持1个10mA左右的故障反馈光耦驱动电流,在采用稳压管正负电源分压方案中,易导致负电压偏高。影响分压比例。谢谢!

  在正确的选择下IGBT /功率MOSFET的饱和电压通常约为1.5V?3V。所以7V的阈值通常是足够的,因为它在退饱和作用下提供了超过4V的边距电压。 当然在市场上也有一些IGBT /功率MOSFET饱和电压略高或在一些大的散热器下允许饱和度较高的检测阈值的功率器件。但设计者可以通过简单的插入比较器来提高 DESAT阈值。 是的,LED的10mA驱动电流在故障条件下是真正必要的。 使用高LED故障电流的原因是,它允许在故障条件下能有更好的噪声抑制。

  7、请问:退饱和检测是什么意思,检测的是哪一个点的电压?谢谢!

  DESAT是IGBT过流或短路故障发生时,可以检测到的情况。在过流或短路故障发生时,IGBT的集电极电压(或PowerMosfet的漏电极电压)会迅速爬升,这种电压爬升情况可以通过安华高集成栅极驱动器的DESAT引脚检测到。

  8、请问:加入耦合隔离器后会不会出现信号的延迟?通过什么办法解决?谢谢!

  通过使用光耦栅极驱动器驱动功率器件,可以帮助消除4个基本问题,如1)瞬态电压,2)共模噪声,3)接地回路,和4)电平转换。这4个基本问题不能轻易/圆满通过简单的非隔离式栅极驱动器得到解决。但加入光耦确实会引入信号传播延迟时间,并导致在网络研讨会中提到的死区时间。 不过在市场中安华高栅极驱动光耦合器的死区时间是最低的,这有助于减少在怠速状态下容易失去的效率。

  9、请问:以前我们在电机软起动器上用光耦加SCR的方案,如果改为Avago隔离IGBT的方案,需要考虑哪些环节?谢谢!

  在电机起动系统里比较IGBT控制对可控硅SCR控制的优势,前者较易关闭及允许更快的开关操作,但需要考量的是,设计师必须确保IGBT的体二极管能够完全处理在关闭时产生的再生电流。了解更多Avago IGBT门驱动产品,请点击链接。

  10、请问:DESAT功能在我曾经用过的IGBT中没有,是安华高的独有技术吗?谢谢!

  DESAT是IGBT过流或短路故障发生时,可以检测到的情况。在过流或短路故障发生时,IGBT的集电极电压(或PowerMosfet的漏电极电压)会迅速爬升,这种电压爬升情况可以通过安华高集成栅极驱动器的DESAT引脚检测到。传统的电路必须采用分立元件来提供DESAT检测,而安华高已把这样的检测电路集成到IC中。

    11、请问:HCPl-316产品如何做到短路时软关断?谢谢!

  HCPL-316J 饱和阈值的顶点设置在7V,这是对通过一个比较实际的IGBT Vce饱和电压相比。操作时的DESAT保护有2个部分,1)I GBT的Vce电压检测和比较, 2)一旦越过阈值水平就激活DESAT保护; 1)检测部分,它仅在IGBT导通期间激活。 在IGBT关断期间,有个微小的晶体管是导通的以把DESAT电容放电到0V。 当IGBT导通后, 那微小的晶体管被立即??关闭,让250uA恒流,以充电电容,和/或直接流到IGBT,这取决于那个路径是处于较低电压路径。 因此,如果IGBT的开启和负载配合的饱和点在2V,恒定电流会流入DESAT电容,直到它到达2.7V,并从那时起,恒定电流将流经DESAT二极管(造成0.7V压降),并通过导通的IGBT。作为DESAT电容的电压只有2.7V,这仍然是比7V DESAT阈值设置低,保护电路将不会被激活。 但是,当发生过载或短路,VCE饱和电压将立即爬升,到如8V,因超过7V第二个部分就开始。恒定电流将继续充电DESAT电容到超过7V。由于DESAT电容电平跨越了7V DESAT门槛,比较器的输出被激活,保护电路也被激活。结果是故障信号,会通过光通道发送到故障引脚并把那个故障引脚电平拉低,以通知了解故障的MCU / DSP。在同一时间,那1X小粒晶体管会导通,把IGBT的栅极电平 通过RG电阻来放电。由于这种晶体管比实际关断晶体管更小约50倍, IGBT栅极电压将被逐步放电导致所谓的软关机。 Avago的应用笔记 AN5324提供更详细的软关断描述。

  12、请问:故障保护功能有哪些?都是集成在隔离驱动器里吗?谢谢!

  3种故障保护功能都集成到Avago的高集成栅极驱动器ACPL-33xJ里 - UVLO(以避免VCC2电平不足够时开启IGBT),DESAT(以保护IGBT过电流或短路),和米勒钳位(以防止寄生米勒电容造成的IGBT误触发)

  13、请问:如何避免米勒效应?谢谢!

  IGBT操作时所面临的问题之一是米勒效应的寄生电容。这种效果是明显的在0到 15 V类型的门极驱动器(单电源驱动器)。门集-电极之间的耦合,在于IGBT关断 期间 , 高dV / dt瞬态可诱导寄生IGBT道通(门集电压尖峰),这是潜在的危险。

  当上半桥的IGBT打开操作,dVCE/ dt电压变化发生跨越下半桥的IGBT。电流会流过米勒的寄生电容,门极电阻和内部门极驱动电阻。这将倒至门极电阻电压的产生。如果这个电压超过IGBT门极阈值的电压,可能会导致寄生IGBT道通。

  有两种传统解决方案。首先是添加门极和发射极之间的电容。第二个解决方法是使用负门极驱动。第一个解决方案会造成效率损失。第二个解决方案所需的额外费用为负电源电压。

  我们的解决方案是通过缩短门极 - 发射极的路径, 通过使用一个额外的晶体管在于门极 - 发射极之间。 达到一定的阈值后,晶体管将短路门极 - 发射极地区。这种技术被称为有源米勒钳位, 提供在我门的ACPL-3xxJ产品。你可以参考Avago应用笔记 AN5314

  14、请问:对于工作于600V直流母线的30~75A、1200V IGBT而言,ACPL-33x、ACPL-H342 这5颗带miller钳位保护的栅极驱动光耦能否仅以单电源供电就能实现高可靠性驱动,相比于传统的正负供电,可靠性是更高,还是有所不足?谢谢!

  Avago ACPL-332J, ACPL-333J 以及 ACPL-H342 的门极驱动光耦可以输出电流 2.5A。这些产品适合驱动1200V,100A类型的IGBT。

  1)当使用负电源,就不需要使用米勒箝位,但需花额外费用在负电源上。

  2)如果只有单电源可使用,那么设计者可以使用内部内置的有源米勒箝位。

  这两种解决方法一样可靠。米勒箝引脚在不使用时,需要连接到VEE。

  15、请问:在哪些应用场合需要考虑米勒效应的影响?谢谢!

  IGBT操作时所面临的问题之一是米勒效应的寄生电容。这种效果是明显的在0到 15 V类型的门极驱动器(单电源驱动器)。门集-电极之间的耦合,在于IGBT关断 期间 , 高dV / dt瞬态可诱导寄生IGBT道通(门集电压尖峰),这是潜在的危险。

  当上半桥的IGBT打开操作,dVCE/ dt电压变化发生跨越下半桥的IGBT。电流会流过米勒的寄生电容,门极电阻和内部门极驱动电阻。这将倒至门极电阻电压的产生。如果这个电压超过IGBT门极阈值的电压,可能会导致寄生IGBT道通。

  有两种传统解决方案。首先是添加门极和发射极之间的电容。第二个解决方法是使用负门极驱动。第一个解决方案会造成效率损失。第二个解决方案所需的额外费用为负电源电压。

  我们的解决方案是通过缩短门极 - 发射极的路径, 通过使用一个额外的晶体管在于门极 - 发射极之间。 达到一定的阈值后,晶体管将短路门极 - 发射极地区。这种技术被称为有源米勒钳位, 提供在我门的ACPL-3xxJ产品。你可以参考Avago应用笔记 AN5314

  16、请问:我们光伏逆变器是安装在电厂,环境温度相当恶劣,请问贵公司光耦的工作环境温度范围?谢谢!

  我们产品的工作环境温度范围可达-40°C至105°C。在工业应用情况下是足够的。如果客户需要更高的工作温度,我们的R2Coupler光耦可以运作在扩展温度达到125°C。

  17、请问:欠压,缺失饱和如何更好的被避免?谢谢!

  AVAGO门极驱动光耦带有欠压闭锁 (UVLO) 保护功能。当IGBT故障时,门极驱动光耦供电的电压可能会低于阈值。有了这个闭锁保护功能可以确保IGBT继续在低电阻状态。

  我们的智能门极驱动光耦, HCPL-316J和ACPL-33xJ,附带DESAT检测功能。当DESAT引脚上的电压超过约7V的内部参考电压,而IGBT仍然在运行中,后约5μs, Fault 引脚改成逻辑低状态, 以通知MCU / DSP。

  在同一时间,那1X小粒晶体管会导通,把IGBT的栅极电平 通过RG电阻来放电。由于这种晶体管比实际关断晶体管更小约50倍, IGBT栅极电压将被逐步放电导致所谓的软关机。Avago的应用笔记 AN5324提供更详细的软关断描述。

  18、请问:光耦栅极驱动器最高的输出电流是多少?谢谢!

  根据您选择的器件型号,Avago的光耦门极驱动器最大输出电流可以达到0.4A,0.6A,1.0A,1.5A,2.5A,3.0A,4.0A 以及 5.0A。

  19、请问:最大输出电流可以达到多少安培?谢谢!

  根据您选择的器件型号,Avago的光耦门极驱动器最大输出电流可以达到0.4A,0.6A,1.0A,1.5A,2.5A,3.0A,4.0A 以及 5.0A。

 

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