智能IGBT門(mén)驅動(dòng)耦合器接口A(yíng)CPL-339J

簡(jiǎn)介

ACPL-339J是一種先進(jìn)的智能IGBT門(mén)驅動(dòng)耦合器接口，支持1.0A雙輸出，易于使用。ACPL-339J 經(jīng)獨特設計支持具有靈活電流額定值的MOSFET的電流緩沖器，使得系統設計師能夠更加輕松地通過(guò)互換MOSFET緩沖器和功率IGBT/MOSFET開(kāi)關(guān)使用一個(gè)硬件平臺支持不同的系統功率額定值。此概念能夠在最大程度上擴展用于電機控制和能量轉換應用場(chǎng)合的門(mén)驅動(dòng)設計，功率額定值從高到低均適用。ACPL-339J同樣集成了短路保護，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計靈活性和電路保護。

本應用說(shuō)明描述了Avago SPICE宏觀(guān)模型的能力，以準確預測和模擬ACPL-339J智能門(mén)驅動(dòng)器的 UVLO和去飽和(DESAT)監測功能。當ACPL-339J電源輸出量不足時(shí)，UVLO功能夠阻止諸如IGBT之類(lèi)的昂貴功率半導體器件開(kāi)啟，而去飽和(DESAT)電路能夠監測出現的任何短路現象并繼續進(jìn)行基于IGBT監測的“軟”關(guān)斷。這兩種功能輪流運行、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(mén)電壓不足會(huì )提升IGBT的開(kāi)啟電阻，導致因高度散熱造成大量電能損失和IGBT受損。ACPL-339J持續監測輸出電源。輸出電源低于UVLO閾值時(shí)，門(mén)驅動(dòng)器輸出將會(huì )斷開(kāi)使IGBT免遭低壓偏置的損害。ACPL-339J擁有兩個(gè)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(huà)說(shuō)，當VCC2和VEE供應不足導致 UVLO 鉗位處于激活狀態(tài)時(shí)，IF 和去飽和(DESAT) 可忽略不計。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。過(guò)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行的過(guò)程中由ACPL-339J去飽和(DESAT)引腳進(jìn)行監測。當出現短路，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。這導致IGBT的集射電壓從 2V的飽和電壓開(kāi)始迅速增加。一旦其超越ACPL-339J的內部8V閾值，則認定為短路故障并執行“軟”關(guān)斷。ACPL-339J的VGMOS引腳將開(kāi)啟外部晶體管以緩慢釋放IGBT的門(mén)極電荷，實(shí)現軟關(guān)斷。軟關(guān)斷的速率可根據外部晶體管和電阻的尺寸進(jìn)行調整，以最大限度降低對 IGBT 的過(guò)沖。最后，通過(guò)內置隔離反饋路徑將故障(FAULT)報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(guò)程中去飽和 (DESAT) 監測的操作步驟。

圖2. 短路保護、IGBT“軟”關(guān)斷和隔離故障反饋

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

開(kāi)啟后保持禁用一小段時(shí)間，以便集電極電壓降至去飽和 (DESAT) 閾值以下。這個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為去飽和 (DESAT) 間隔時(shí)間，由內部去飽和 (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。標稱(chēng)間隔時(shí)間可使用以下公式計算：

TBLANK= CBLANKx VDESAT/ ICHG

從數據表規格可以看出，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(shí)間為100pF * 8V/250μA = 3.2μsec。雖然不建議使用數值低于100pF的電容器，但是可稍微擴展電容值以調整間隔時(shí)間。標稱(chēng)間隔時(shí)間也表示ACPL-339J對去飽和(DESAT) 故障情況做出反應所花費的最長(cháng)時(shí)間。為說(shuō)明去飽和(DESAT) 監測的操作，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IGBT開(kāi)啟時(shí)，能夠檢測IGBT的飽和集射電壓 VCESAT，在IGBT關(guān)閉時(shí)，阻止高電壓。在IGBT斷開(kāi)和朝向去飽和(DESAT)二極管正向導電端部的過(guò)程中，產(chǎn)生短時(shí)間的反向電流。這種反向恢復效應導致二極管無(wú)法實(shí)現其阻擋能力，直至接合處的移動(dòng)充電完全耗盡。在此過(guò)程中，通常會(huì )有一個(gè)非常高的dVCE/dt電壓斜坡率穿過(guò) IGBT 的集電極與發(fā)射極。這導致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速率功能的二極管。

與IGBT相連接的反馳二極管的續流可擁有大量的正向瞬態(tài)電壓，遠遠超出二極管的標稱(chēng)正向電壓。這可能導致去飽和 (DESAT) 引腳上突增大量的負電壓，如果不加以保護，會(huì )大量消耗驅動(dòng)器中的電流。為將電流限制在不會(huì )對驅動(dòng)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(gè)100Ω的電阻。增加的電阻不會(huì )改變去飽和(DESAT) 閾值或者去飽和間隔時(shí)間。圖 4 顯示出在 SPICE 模擬中精確預測標稱(chēng)間隔時(shí)間，而表4顯示出VGMOS和VOUTP延遲時(shí)間被調整至典型數據表規格。

圖4：LED、去飽和(DESAT)、VOUTP和VGMOS

表4：顯示數據表典型規格與模擬結果的比較

一旦檢測出去飽和(DESAT)故障以及在TBLANK時(shí)間之后，VOUTP和 VOUTN都將斷開(kāi)各自的外部MP1和MN1。在TMUTE時(shí)間，輸出端將會(huì )處于靜音模式。在靜音期間，所有的輸入LED信號都將被忽略，以便驅動(dòng)器能夠完全軟關(guān)斷IGBT。故障根據1ms(典型值)靜音(TMUTE) 停止時(shí)間或者LED輸入從高到低的轉變自動(dòng)復位，以后發(fā)生的為準。通過(guò)這種方法，停止時(shí)間被最小化，而且自由延長(cháng)停止時(shí)間的靈活性也被最小化了。參見(jiàn)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(shí)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(shí)圖關(guān)閉。

最后，為說(shuō)明發(fā)生短路時(shí)的實(shí)際應用情況，創(chuàng )建了一個(gè)SPICE模擬電路，如圖6所示。同時(shí)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(mén)電容。當檢測出去飽和(DESAT)狀態(tài)，VGMOS從高到低切換，打開(kāi)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相應的衰變率緩慢為IGBT門(mén)放電?；?30Ω的RS和10nF的CIN，整個(gè)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(huì )造成因導線(xiàn)和電線(xiàn)電感引起具有破壞性的電壓突增?？赏ㄟ^(guò)選擇不同數值的電阻器RS，改變IGBT軟關(guān)斷的衰變時(shí)間。如圖7所示。

圖6. 包含推薦外部MOS組件的SPICE模型模擬應用電路

圖7：可通過(guò)選擇不同數值的電阻器RS，改變IGBT門(mén)電壓軟關(guān)斷的衰變時(shí)間。

結論

在本應用說(shuō)明中，我們已向您展示，ACPL-339J SPICE宏觀(guān)模型精確描述了UVLO和去飽和(DESAT) 特征。UVLO和去飽和(DESAT)是內置在A(yíng)CPL-339J中的兩種機制，這兩種機制輪流運行能夠在電力供應不足和短路的過(guò)程中防止昂貴的IGBT遭到損害。設計師能夠在不同的情況下，通過(guò)模擬應用電路輕松理解復雜的輸入邏輯并預測電路的總體性能。精確調整至典型規格的直流和交流切換參數，能夠幫助設計師更加準確地選擇外部組件。因此，設計師們可以放心地使用ACPL-339J SPICE宏觀(guān)模型，滿(mǎn)足他們復雜的電路模擬和應用要求。