隔离驱动IGBT和Power MOSFE功率器件所需要的一些技巧

发布于:2021-08-03 06:04:40

安华高科技 隔离驱动 IGBT 和 Power MOSFE 功率器件 所需要的一些技巧
罗槟盛先生是安华高科技的应用工程师,在安华高科技工作已有 10 多年。在加入安华 高科技之前,有多年从事 UPS/SMPS 设计/电力线载波通信/电机控制/电源系统测试的工作 经验。 内容介绍: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。 本在线研讨会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 Power MOSFET。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, 1) 如 瞬态电压, 2)共模噪声,3)接地回路,和 4)电*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, 1) 如 瞬态电压, 2)共模噪声,3)接地回路,和 4)电*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*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*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*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* 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*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*肭诺 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*肭诺 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° 至 105° C 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:贵公司光耦绝缘耐压多高?谢谢! 我们的门极驱动光耦有不同的封装。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。 不同的爬电距离和间隙对应于不同的工作绝缘电压,Viorm。 最 大 Viorm 从 566V 至 2262V 之间。你可以参考隔离产品选型指南 18、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* 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。 19、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。你可以参考隔离产品选型指南 20、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。 21、请问:今天介绍的器件如何申请样品?谢谢! 我们向符合条件的客户提供数量有限的产品样品。您可以通过以下方式获得样品: a) 通过 Avago Technologies 的授权分销商购买半导体产品的客户,请与您所在地区或国 家的分销商联系,以订购样品。 B) 与 Avago Technologies 订有直接购买协议的客户,请在线注册后,再订购样品。如果 您直接从 Avago Technologies 订购半导体产品, 请注册此项服务。 注册之后, 我们将在 48 小时内验证并激活您的帐户。如果您已经注册,请先登录再订购样品。


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