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更換老化的柵極驅動光電耦合器


作者:德州儀器 Murali Kittappa   時間:2019/4/30 10:28:12  來源:   


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


在設計電機驅動器時,保護操作重型機械的人員免受電擊是首要考慮因素,其次應考慮效率、尺寸和成本因素。雖然IGBT可處理驅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。在系統中提供安全隔離的重要任務由驅動IGBT的柵極驅動器完成。


光電隔離柵極驅動器已成功用于驅動IGBT,并提供電流安全隔離。光電隔離柵極驅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。電流驅動輸入級的簡易性、良好的抗噪性和安全隔離是電機驅動器制造商幾乎在所有設計中都采用光電隔離柵極驅動器的主要原因。


然而,現代系統不斷增長的需求已突破光電隔離技術的限制。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中的作 用至關重要。IGBT需要更快地切換,以降低開關損耗并降低功耗。碳化硅(SiC)場效應晶體管(FET)在這些應用中越來越受歡迎,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電壓(dv/dt)和更大的共模瞬變,它們可耦合回柵極驅動器輸入,破壞功率FET的柵極驅動信號。


光電隔離柵極驅動器的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。這導致功率FET的功耗更高、效率更低、尺寸更大、系統成本更高。光電隔離柵極驅動器(采用6管腳小外形封裝,帶寬管腳)額定工作電壓為1,414 VPK。但是光電學制造商沒有提供任何有關使用壽命的指南。此外,最高工作溫度僅為105°C(Tj = 125°C),且LED老化效應進一步限制了可使用光電隔離柵極驅動器的應用,從而使驅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動器。其采用電容隔離技術,帶6引腳封裝。德州儀器專有的仿真二極管(e-diode)技術構成了電流驅動的輸入級。與LED不同,它不會老化。使用構成半導體工藝一部分的具有高純度二氧化硅(SiO2)電介質的電容器可實現高壓安全隔離。其工藝與制造金屬氧化物半導體FET的工藝相同。


由于半導體工藝具有極其嚴格的公差,因此可極好地控制SiO2電介質的純度和厚度。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的應用,以降低功率損耗并實現高系統效率。UCC23513的最高工作溫度為125°C(Tj = 150°C),可用于環境溫度較高的系統。其他優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,使驅動器制造商能夠提高脈沖寬度調制頻率,降低失真,同時提高系統效率。


UCC23513具有更長的使用壽命、更高的CMTI和更大的溫度范圍,是對傳統光電隔離柵極驅動器的一次徹底升級。

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