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ACPL-336J-IGBT光耦隔离驱动的祖师爷应用笔记

2020年08月12日  | 移动技术网IT编程  | 我要评论

        说ACPL-336J是光耦隔离驱动的祖先,其实是彻底错误的,因为在它之前AVAGO还有很多个版本。但是如果说它的生父AVAGO公司是光耦隔离驱动的祖先应该是没错的。

      中功率小功率的IGBT保护与驱动,用ACPL-336J再好不过了,如果不是特别特别抠成本的话。

       AVAGO的IGBT驱动芯片我司有上十年的应用经验,小小一枚芯片,表面看起来就是搭建外围电路,去驱动和保护IGBT,似乎很简单,确实,既然是专用驱动芯片,只是应用,核心的关键的东西,都由IC设计人员做了,集成到芯片里面了,外围电路的搭建相比芯片本身来说已经简单很多了。不过用这款芯片完成基本功能,和用它来设计一个稳定可靠的产品之间还差十万八千里呢。所以我感觉,电力电子领域的单板设计,也是很有搞头的。有人的功率板驱动电路老是容易炸管子,或者批量应用后,老是有少量的同种问题出现,却不好定位。

     关于这个片子在应用中会遇到哪些具体的问题以及实际的外围电路是什么样子的,用了哪些器件,参数如何计算,如何实验反馈确定最终参数的,这些问题就不具体说了,毕竟这是一家公司需要稍微保留一下的技术和经验秘密。

     为了增强这部分应用思路,现在根据数据手册的内容做一些记录。

还是先把ACPL_336J的数据手册翻译一遍吧?

Description
Avago’s ACPL-336J gate drive optocoupler features fast propagation delay with excellent timing skew performance. Smart features that are integrated to protect the IGBT include IGBT desaturation detection with soft-shutdown protection and fault feedback, undervoltage lockout and feedback, and active Miller current clamping. This full-featured and easy-to-implement IGBT gate drive optocoupler comes in a compact, surface-mountable SO-16 package for space-savings. It is suitable for driving IGBTs and power MOSFETs used in motor control and inverter applications.
 
ACPL-336J 光耦合器具有很小的传输延时,极佳的时序抖动性能。内部集成了退保和检测电路,软关断保护电路,故障反馈电路,欠压锁定反馈电路、有源电流钳位电路。这款功能齐全且易于实现的IGBT栅极驱动光耦合器采用紧凑的,可表面安装的SO-16封装,以节省空间。该驱动芯片适合驱动IGBT和功率MOSFET,常用语电机控制或者逆变器领域。
 
Avago isolation products provide reinforced insulation and reliability that deliver safe signal isolation critical in high voltage and noisy industrial applications.
安华高的隔离产品在安全的传递隔离型号方面提供增强绝缘和更高的可靠性,特别适合在高压、强噪声的工业环境中使用。

                                            图1  336J内部的原理示意图

2.5 A maximum peak output current 输出最大峰值电流2.5A

• Rail-to-rail output voltage轨到轨输出,即输出电压最高达到供电正电压,最低电压达到供电负电压或者地

• 2.5 A Miller Clamp 2.5A的弥勒钳位能力

• Integrated fail-safe IGBT protection - Desaturation detection, “Soft” IGBT turn-off and fault feedback - UnderVoltage LockOut (UVLO) Protection with feedback

• Integrated input LED driver,内嵌LED隔离驱动

• 250 ns maximum propagation delay over temperature全温度范围内最大250nS的传输延时。

 

• 30 kV/µs minimum Common Mode Rejection (CMR) at VCM = 1500 V。共模瞬态抑制能力。这句话的理解可参看数据手册图14及后续几个图,1500V是副边地对原边地的脉冲电压。对这个参数的理解可参看另一篇笔记《光耦隔离驱动芯片的共模瞬变抗扰度和共摸抑制比

• Wide operating voltage: 15 V to 30 V 副边供电电压范围宽

• Wide operating temperature range: -40 °C to 105 °C

• SO-16 package with 8 mm clearance and creepage

• Regulatory approvals: – UL 1577, VISO = 5000 VRMS for 1 min – CSA – IEC/EN/DIN EN 60747-5-5 VIORM = 1414 VPEAK

监管批准:UL认证,UL是美国保险商试验所(Underwriters Laboratories Inc.)的简写。UL安全试验所是美国最有权威的,也是世界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构。
UL1577是关于光耦隔离器件UL认证。
UL 认证在美国属于非强制性认证,主要是产品安全性能方面的检测和认证,其认证范围不包含产品的 EMC(电磁兼容)特性
 
(电子元器件的各种认证需要特别关注,产品出问题,尤其是人身安全问题,如果没有认证兜底,那个人和公司都可能遭受灭顶之灾)
 
 
Applications
Isolated IGBT/Power MOSFET gate drive
Renewable energy inverters
AC and brushless DC motor drives
Industrial Inverters
Switching power supplies
ACPL-336J可以用到多个领域:可再生能源逆变器(光伏并网逆变,风电等新能源逆变),永磁同步、直流无刷、异步电机的驱动器,工业逆变器,开关电源等。总之凡是用到IGTB/功率MOSFET的地方,都可以考虑使用这个驱动。
引脚定义:右边的是弱电引脚,主要提供弱电供电,驱动控制信号,故障反馈信号;右边的是强电引脚,主要提供副边供电,驱动电平输出,退保和检测,故障指示功能。
1 、原边电路供电电源地,这个地可控制器的数字地连接。
2、该驱动芯片控制信号输入端,该引脚与内部的LED驱动缓冲器的输入连接。参见图1,芯片内部结构示意图。
3、原边电路供电电源正引脚,通常可以是5V,或者3.3V。
4、控制信号经过内部缓冲器放大后,可以从这个引脚输出。
5、这个引脚是漏极开路,需要接上拉电阻,它是副边供电欠压指示引脚,如果副边供电电压低于欠压阈值,这个引脚输出低电平,供处理器检测,以便做出必要的保护动作。
6、功能同上,只不过故障来源是退保和检测电路检测到退保和了。
7/8、真正驱动该芯片输出电平高低的是这两个引脚,参见图1,控制信号有两种选择,1是控制信号直接接引脚2,在将4/7相连,然后将8接地,2是控制信号经过外部缓冲后,直接与7/8连接。
9、副边供电引脚负,副边供电可采用双电源供电,此时该引脚接负电压,例如-9V,也可以采用单电源供电,此时该引脚接地。
10、弥勒电流钳位出书引脚,大电流,过流,短路的情况,关断时,C、G两端的寄生弥勒电容放电,倒灌进入驱动芯片,太高栅极电压,可能导致IGBT开通或者处于放大状态。这极容易烧毁IGBT,所以。这个引脚就是应对这种情况的,在一定的条件下,弥勒钳位功能生效。
11、驱动电压输出引脚。
12、副边供电正电压。
13、副边供电电源地,双电源供电时,是正负电源的地,单电源供电时是,该引脚接电源地。
14、退保和检测输入引脚。
15、故障指示LED驱动引脚。
16、同。
 
未完,陆续更新中
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ACPL-336J
2.5 Amp Gate Drive Optocoupler with Integrated (VCE)
Desaturation Detection, Active Miller Clamping, Fault and UVLO Status Feedback
采用光耦合器实现强弱电隔离,具有2.5A的输出能力,内部集成了集电极-发射极退饱和电压检测功能,有源弥勒钳位,故障、过压欠压反馈指示及保护。(退保和如何理解后文会解释)
 
1. Introduction
Desaturation fault detection circuit provides protection for power semiconductor switches (IGBT or MOSFETs) against short-circuit current events which may lead to destruction of these power switches. This desaturation of the inverters can also occur due to an insufficient gate drive signal from the inverter gate driver misperformance or driver supply voltage issues. Other failure modes that can potentially cause excessive currents and excessive power dissipations in the inverters can be due
to phase and/or rail supply short circuits due to user misconnect or bad wiring, control signal failures due to noise or computational errors, over load conditions induced by the load, and component failures in the gate drive circuitry. The drastically increased power dissipation very quickly overheats the power inverter and destroys it. To prevent catastrophic damage to the drive, desaturation fault detection and protection must be implemented to reduce or turn-off the overcurrents during the fault
condition. This application note covers the design of desaturation fault detection feature provided by Avago Intelligent Gate Driver.
功率开关器件短路极易造成器件烧坏甚至炸管,该芯片的退饱和电压探测功能提供了处理这种情况的保护能力。在逆变器中,

如果门极驱动芯片内部功能异常或者驱动电压出问 ,这会导致门极驱动输出驱动能力不足,这中种情况也可能导致退保和。

还有其他的一些潜在因素会导致过流或者器件功耗过大:1、用户错误连接和或者糟糕的布局布线导致的相间短路、轨到轨电源                                                                                                    短路。

                                                                                          2、噪声或者控制器计算误差导致的控制信号失败

                                                                                          3、负载过载

                                                                                          4、芯片内部电路失效

急速增加的功耗会迅速加热功率管子最终烧坏它。为了防止灾难性破坏,退保和故障检测和保护是必须的,以减少或消除故障期间的过流情况。

本应用笔记介绍Avago Intelligent Gate Driver提供的去饱和故障检测功能的设计。

 

i. Fault Detection
The IGBT collector-emitter voltage, VCESAT, is monitored by the DESAT pin of the Gate Drive Optocoupler (Pin 14 of Figure 1). When there is short circuit in an application and a very high current flow through the IGBT, it will go into desaturation mode; hence its VCESAT voltage will rise up. A fault is detected by the optocoupler gate driver (while the IGBT is ON) once this VCESAT voltage goes above the internal desaturation fault detection threshold voltage which is typically 7.0V. This fault detection triggers two events:
a. Vout of the optocoupler gate driver is slowly brought low in order to “softly” turn-off the IGBT and prevent large di/dt induced voltage spikes and
b. Also activated is an internal feedback channel which brings the Fault output low for the purpose of notifying the micro-controller of the fault condition. At this point, the microcontroller must take the appropriate action to shutdown or reset the motor
drive.
i.故障检测
IGBT集电极-发射极电压,VCEsat,被驱动芯片的14引脚监测着。当短路或者大的过流电流流过IGBT时,IGBT就会进入退保和状态。因此,VCEsat电压就会升高。VCEsat电压会与芯片内部的一个参考电压(7V)比较,超过这个电压就触发内部的退保和故障有效功能,这个故障触发两件事:
                                                         a 栅极驱动器输出电压Vout 缓慢下降实现管关断,阻止di/dt过大而产生电压尖峰。
                                                         b 触发内部故障信号,这个信号可以送给处理器。此时,处理器应该做出相应的处理。
 

 

 

         IGBT驱动芯片主要完成两件是,打开和关闭IGBT,保护IGBT。

Vout是驱动引脚,她是个推挽输出,看里面有两个MOS管,Output Driver里面的逻辑、时序控制着两个mos恰当的开通和关闭,可以将Vout硬件接到副边电源正Vcc2上或者副边电源负Vee2上,当然Vee2也可以接0电压,这个后面再说。

Vclamp钳位引荐,这个引脚直接接在IGBT的栅极上,在软关断的末期,即栅极降低到Vee2+2V的时候,与Vclamp相连的MOS被打开,使IGBT的栅极直接与Vee2连接实现弥勒钳位

 

本文地址:https://blog.csdn.net/blueoce/article/details/107326818

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