老化的柵極驅(qū)動光電耦合器

電機用于電梯、食品加工設(shè)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(yīng)電機在這種應(yīng)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(xiàn)驅(qū)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(xiàn)交流感應(yīng)電機所需的正弦電流。

在設(shè)計電機驅(qū)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(yīng)考慮效率、尺寸和成本因素。雖然IGBT可處理驅(qū)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(tǒng)中提供安全隔離的重要任務(wù)由驅(qū)動IGBT的柵極驅(qū)動器完成。

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

然而，現(xiàn)代系統(tǒng)不斷增長的需求已突破光電隔離技術(shù)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(tǒng)中的作 用至關(guān)重要。IGBT需要更快地切換，以降低開關(guān)損耗并降低功耗。碳化硅（SiC）場效應(yīng)晶體管（FET）在這些應(yīng)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(tài)電壓（dv/dt）和更大的共模瞬變，它們可耦合回柵極驅(qū)動器輸入，破壞功率FET的柵極驅(qū)動信號。

光電隔離柵極驅(qū)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(dǎo)致功率FET的功耗更高、效率更低、尺寸更大、系統(tǒng)成本更高。光電隔離柵極驅(qū)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(xué)制造商沒有提供任何有關(guān)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(yīng)進一步限制了可使用光電隔離柵極驅(qū)動器的應(yīng)用，從而使驅(qū)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(qū)動器。其采用電容隔離技術(shù)，帶6引腳封裝。德州儀器專有的仿真二極管（e-diode）技術(shù)構(gòu)成了電流驅(qū)動的輸入級。與LED不同，它不會老化。使用構(gòu)成半導(dǎo)體工藝一部分的具有高純度二氧化硅（SiO2）電介質(zhì)的電容器可實現(xiàn)高壓安全隔離。其工藝與制造金屬氧化物半導(dǎo)體FET的工藝相同。

由于半導(dǎo)體工藝具有極其嚴格的公差，因此可極好地控制SiO2電介質(zhì)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(xiàn)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(yīng)用，以降低功率損耗并實現(xiàn)高系統(tǒng)效率。UCC23513的最高工作溫度為125°C（Tj = 150°C），可用于環(huán)境溫度較高的系統(tǒng)。其他優(yōu)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(qū)動器制造商能夠提高脈沖寬度調(diào)制頻率，降低失真，同時提高系統(tǒng)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(tǒng)光電隔離柵極驅(qū)動器的一次徹底升級。

審核編輯：何安