更换老化的栅极驱动光电耦合器

作者：德州仪器 Murali Kittappa

电机用于电梯、食品加工设备、工厂自动化、机器人、起重机……这样的例子不胜枚举。交流感应电机在这种应用中很常见，且总是通过用于电源级的绝缘栅双极晶体管（IGBT）来实现驱动。典型的总线电压为200 VDC至1，000 VDC。IGBT采用电子换向，以实现交流感应电机所需的正弦电流。

在设计电机驱动器时，保护操作重型机械的人员免受电击是首要考虑因素，其次应考虑效率、尺寸和成本因素。虽然IGBT可处理驱动电机所需的高电压和电流，但它们不提供防止电击的安全隔离。在系统中提供安全隔离的重要任务由驱动IGBT的栅极驱动器完成。

光电隔离栅极驱动器已成功用于驱动IGBT，并提供电流安全隔离。光电隔离栅极驱动器的输入级包含单个铝镓砷（AlGaAs）LED。输出级包括一个光电探测器和放大器，然后是驱动输出的上拉和下拉晶体管。最终封装中厚层透明硅树脂将输入和输出级分开，并提供了安全隔离。电流驱动输入级的简易性、良好的抗噪性和安全隔离是电机驱动器制造商几乎在所有设计中都采用光电隔离栅极驱动器的主要原因。

然而，现代系统不断增长的需求已突破光电隔离技术的限制。例如，共模瞬变抗扰度（CMTI）在总线电压和电流都很大的高功率系统中的作 用至关重要。IGBT需要更快地切换，以降低开关损耗并降低功耗。碳化硅（SiC）场效应晶体管（FET）在这些应用中越来越受欢迎，因为它们的切换速度快于IGBT。无论您使用IGBT抑或SiC FET作为功率FET，更快的切换速度意味着更高的瞬态电压（dv/dt）和更大的共模瞬变，它们可耦合回栅极驱动器输入，破坏功率FET的栅极驱动信号。

光电隔离栅极驱动器的CMTI额定值仅为35 V/ns至50 V/ns，这限制了功率FET的切换速度。这导致功率FET的功耗更高、效率更低、尺寸更大、系统成本更高。光电隔离栅极驱动器（采用6管脚小外形封装，带宽管脚）额定工作电压为1，414 VPK。但是光电学制造商没有提供任何有关使用寿命的指南。此外，最高工作温度仅为105°C（Tj = 125°C），且LED老化效应进一步限制了可使用光电隔离栅极驱动器的应用，从而使驱动器制造商寻求替代解决方案。

UCC23513是一款3-A、5-kVRMS光兼容单通道隔离式栅极驱动器。其采用电容隔离技术，带6引脚封装。德州仪器专有的仿真二极管（e-diode）技术构成了电流驱动的输入级。与LED不同，它不会老化。使用构成半导体工艺一部分的具有高纯度二氧化硅（SiO2）电介质的电容器可实现高压安全隔离。其工艺与制造金属氧化物半导体FET的工艺相同。

由于半导体工艺具有极其严格的公差，因此可极好地控制SiO2电介质的纯度和厚度。在工作电压为1060VRMS（1500 VPK）时，器件的使用寿命可保证高于50年，并实现极低的器件间差异，而光电隔离无法做到。

凭借》150 V/ns的CMTI额定值，UCC23513可承受极高的dv/dt，极其适合需极快切换IGBT的应用，以降低功率损耗并实现高系统效率。UCC23513的最高工作温度为125°C（Tj = 150°C），可用于环境温度较高的系统。其他优势包括更低的传播延迟、更低的脉冲宽度失真和更低的器件到器件偏移，使驱动器制造商能够提高脉冲宽度调制频率，降低失真，同时提高系统效率。

UCC23513具有更长的使用寿命、更高的CMTI和更大的温度范围，是对传统光电隔离栅极驱动器的一次彻底升级。