智能IGBT門驅(qū)動耦合器接口ACPL-339J

 簡介

ACPL-339J是一種先進(jìn)的智能IGBT門驅(qū)動耦合器接口，支持1.0A雙輸出，易于使用。ACPL-339J 經(jīng)獨(dú)特設(shè)計(jì)支持具有靈活電流額定值的MOSFET的電流緩沖器，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠更加輕松地通過互換MOSFET緩沖器和功率IGBT/MOSFET開關(guān)使用一個硬件平臺支持不同的系統(tǒng)功率額定值。此概念能夠在最大程度上擴(kuò)展用于電機(jī)控制和能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用場合的門驅(qū)動設(shè)計(jì)，功率額定值從高到低均適用。ACPL-339J同樣集成了短路保護(hù)，欠壓鎖存(UVLO)、IGBT“軟”關(guān)斷以及隔離故障反饋功能，以最大限度地提供設(shè)計(jì)靈活性和電路保護(hù)。

本應(yīng)用說明描述了Avago SPICE宏觀模型的能力，以準(zhǔn)確預(yù)測和模擬ACPL-339J智能門驅(qū)動器的 UVLO和去飽和(DESAT)監(jiān)測功能。當(dāng)ACPL-339J電源輸出量不足時，UVLO功能夠阻止諸如IGBT之類的昂貴功率半導(dǎo)體器件開啟，而去飽和(DESAT)電路能夠監(jiān)測出現(xiàn)的任何短路現(xiàn)象并繼續(xù)進(jìn)行基于IGBT監(jiān)測的“軟”關(guān)斷。這兩種功能輪流運(yùn)行、同步工作，以防止昂貴的IGBT因高度散熱而受損。

欠壓鎖定(UVLO)

IGBT門電壓不足會提升IGBT的開啟電阻，導(dǎo)致因高度散熱造成大量電能損失和IGBT受損。ACPL-339J持續(xù)監(jiān)測輸出電源。輸出電源低于UVLO閾值時，門驅(qū)動器輸出將會斷開使IGBT免遭低壓偏置的損害。ACPL-339J擁有兩個UVLO邏輯塊，即UVLO_P和UVLO_N，分別控制VOUTP和VOUTN。UVLO控制邏輯優(yōu)于輸入IF和去飽和(DESAT)。換句話說，當(dāng)VCC2和VEE供應(yīng)不足導(dǎo)致 UVLO 鉗位處于激活狀態(tài)時，IF 和去飽和(DESAT) 可忽略不計(jì)。VUVLOP+ 和VUVLON+在鉗位能夠被釋放之前需交叉。之后，VOUTP和VOUTN將分別對IF和去飽和(DESAT)做出響應(yīng)。過程如圖1 SPICE模擬圖中所示。

圖1. SPICE中模擬的UVLO、VOUT和故障邏輯剖面圖。

去飽和檢測和“軟”關(guān)斷

IGBT的集射電壓可在其正常運(yùn)行的過程中由ACPL-339J去飽和(DESAT)引腳進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)出現(xiàn)短路，高電流流經(jīng)IGBT并以飽和的形式流出進(jìn)入去飽和(DESAT)模式。這導(dǎo)致IGBT的集射電壓從 2V的飽和電壓開始迅速增加。一旦其超越ACPL-339J的內(nèi)部8V閾值，則認(rèn)定為短路故障并執(zhí)行“軟”關(guān)斷。ACPL-339J的VGMOS引腳將開啟外部晶體管以緩慢釋放IGBT的門極電荷，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。軟關(guān)斷的速率可根據(jù)外部晶體管和電阻的尺寸進(jìn)行調(diào)整，以最大限度降低對 IGBT 的過沖。最后，通過內(nèi)置隔離反饋路徑將故障(FAULT)報(bào)告至控制器完成去飽和(DESAT)操作。圖2顯示的是在發(fā)生短路的過程中去飽和 (DESAT) 監(jiān)測的操作步驟。

圖2. 短路保護(hù)、IGBT“軟”關(guān)斷和隔離故障反饋

去飽和(DESAT)引腳監(jiān)測IGBT VCE電壓。去飽和(DESAT)故障監(jiān)測電路必須在 IGBT

開啟后保持禁用一小段時間，以便集電極電壓降至去飽和 (DESAT) 閾值以下。這個時間段稱為去飽和 (DESAT) 間隔時間，由內(nèi)部去飽和 (DESAT) 充電電流 (ICHG)、去飽和

(DESAT) 電壓 (VDESAT)和外部去飽和 (DESAT) 電容器 (CBLANK)控制。標(biāo)稱間隔時間可使用以下公式計(jì)算：

TBLANK= CBLANKx VDESAT/ ICHG

從數(shù)據(jù)表規(guī)格可以看出，VDESAT 的典型值是8V，ICHG的典型值是250μA。如果使用

100pF的電容器，那么間隔時間為100pF * 8V/250μA = 3.2μsec。雖然不建議使用數(shù)值低于100pF的電容器，但是可稍微擴(kuò)展電容值以調(diào)整間隔時間。標(biāo)稱間隔時間也表示ACPL-339J對去飽和(DESAT) 故障情況做出反應(yīng)所花費(fèi)的最長時間。為說明去飽和(DESAT) 監(jiān)測的操作，圖3中對模擬電路進(jìn)行了描述。

圖3. 顯示短路檢測的SPICE模擬電路。

去飽和(DESAT)二極管的功能是接通正向電流，當(dāng)IGBT開啟時，能夠檢測IGBT的飽和集射電壓 VCESAT，在IGBT關(guān)閉時，阻止高電壓。在IGBT斷開和朝向去飽和(DESAT)二極管正向?qū)щ姸瞬康倪^程中，產(chǎn)生短時間的反向電流。這種反向恢復(fù)效應(yīng)導(dǎo)致二極管無法實(shí)現(xiàn)其阻擋能力，直至接合處的移動充電完全耗盡。在此過程中，通常會有一個非常高的dVCE/dt電壓斜坡率穿過 IGBT 的集電極與發(fā)射極。這導(dǎo)致ICHARGE–CD-DESAT x

dVCE/dt充電電流將為間隔電容器充電CBLANK。為了最大限度降低充電電流并避免錯誤觸發(fā)去飽和(DESAT)，建議使用具有快速恢復(fù)速率功能的二極管。

與IGBT相連接的反馳二極管的續(xù)流可擁有大量的正向瞬態(tài)電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出二極管的標(biāo)稱正向電壓。這可能導(dǎo)致去飽和 (DESAT) 引腳上突增大量的負(fù)電壓，如果不加以保護(hù)，會大量消耗驅(qū)動器中的電流。為將電流限制在不會對驅(qū)動器IC 造成損害的水平，在去飽和(DESAT) 二極管上以串聯(lián)的方式插入一個100Ω的電阻。增加的電阻不會改變?nèi)ワ柡?DESAT) 閾值或者去飽和間隔時間。圖 4 顯示出在 SPICE 模擬中精確預(yù)測標(biāo)稱間隔時間，而表4顯示出VGMOS和VOUTP延遲時間被調(diào)整至典型數(shù)據(jù)表規(guī)格。

圖4：LED、去飽和(DESAT)、VOUTP和VGMOS

表4：顯示數(shù)據(jù)表典型規(guī)格與模擬結(jié)果的比較

一旦檢測出去飽和(DESAT)故障以及在TBLANK時間之后，VOUTP和 VOUTN都將斷開各自的外部MP1和MN1。在TMUTE時間，輸出端將會處于靜音模式。在靜音期間，所有的輸入LED信號都將被忽略，以便驅(qū)動器能夠完全軟關(guān)斷IGBT。故障根據(jù)1ms(典型值)靜音(TMUTE) 停止時間或者LED輸入從高到低的轉(zhuǎn)變自動復(fù)位，以后發(fā)生的為準(zhǔn)。通過這種方法，停止時間被最小化，而且自由延長停止時間的靈活性也被最小化了。參見圖5a和5b，查看模擬圖解。

圖5a. 在TMUTE停止之前，帶有 LED 的去飽和 (DESAT) 故障狀態(tài)定時圖關(guān)閉。

圖5b. 在TMUTE停止之后，帶有LED的去飽和(DESAT)故障狀態(tài)定時圖關(guān)閉。

最后，為說明發(fā)生短路時的實(shí)際應(yīng)用情況，創(chuàng)建了一個SPICE模擬電路，如圖6所示。同時還包括外部MOS器件的SPICE模型，以使得模擬更加精確。IGBT SPICE模型未在本模擬中使用并由 10nF的電容器替代，以模擬IGBT的門電容。當(dāng)檢測出去飽和(DESAT)狀態(tài)，VGMOS從高到低切換，打開一部外部MN2下拉器件。MN2以與RS的RC常量以及IGBT的輸入電容CIN相應(yīng)的衰變率緩慢為IGBT門放電。基于330Ω的RS和10nF的CIN，整個軟關(guān)斷將以4.8 * 330Ω* 10nF = 15.8μs的速率衰變。軟關(guān)斷可防止對集電極電流進(jìn)行快速充電。對集電極電流進(jìn)行快速充電會造成因?qū)Ь€和電線電感引起具有破壞性的電壓突增?？赏ㄟ^選擇不同數(shù)值的電阻器RS，改變IGBT軟關(guān)斷的衰變時間。如圖7所示。

圖6. 包含推薦外部MOS組件的SPICE模型模擬應(yīng)用電路

圖7：可通過選擇不同數(shù)值的電阻器RS，改變IGBT門電壓軟關(guān)斷的衰變時間。

結(jié)論

在本應(yīng)用說明中，我們已向您展示，ACPL-339J SPICE宏觀模型精確描述了UVLO和去飽和(DESAT) 特征。UVLO和去飽和(DESAT)是內(nèi)置在ACPL-339J中的兩種機(jī)制，這兩種機(jī)制輪流運(yùn)行能夠在電力供應(yīng)不足和短路的過程中防止昂貴的IGBT遭到損害。設(shè)計(jì)師能夠在不同的情況下，通過模擬應(yīng)用電路輕松理解復(fù)雜的輸入邏輯并預(yù)測電路的總體性能。精確調(diào)整至典型規(guī)格的直流和交流切換參數(shù)，能夠幫助設(shè)計(jì)師更加準(zhǔn)確地選擇外部組件。因此，設(shè)計(jì)師們可以放心地使用ACPL-339J SPICE宏觀模型，滿足他們復(fù)雜的電路模擬和應(yīng)用要求。