常见的栅极驱动光电耦合器的更换方法解析

相信大家都或多或少接触过电子产品，那么大家都不怎么会关注这些电子产品的一些组成元器件，比如栅极驱动光电耦合器，那么你知道如何更换老化的栅极驱动光电耦合器吗?

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。

MOSFET是一种电压控制型器件，可用作电源电路、电机驱动器和其它系统中的开关元件。栅极是每个器件的电气隔离控制端。

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。

MOSFET的另外两端是源极和漏极，而对于IGBT，它们被称为集电极和发射极。为了操作MOSFET/IGBT，通常须将一个电压施加于栅极(相对于器件的源极/发射极而言)。使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。

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。

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成一个非线性电容。给栅极电容充电会使功率器件导通，并允许电流在其漏极和源极引脚之间流动，而放电则会使器件关断，漏极和源极引脚上就可以阻断大电压。

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。

当栅极电容充电且器件刚好可以导通时的最小电压就是阈值电压(VTH)。为将IGBT/功率MOSFET用作开关，应在栅极和源极/发射极引脚之间施加一个充分大于VTH 的电压。

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。

提供适当栅极电压的问题通过栅极驱动器来解决，栅极驱动器执行电平转换任务。不过，栅极电容无法瞬间改变其电压。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限切换间隔时间。

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。

在切换期间，器件可能处于高电流和高电压状态，这会产生功耗并转化为热量。因此，从一个状态到另一个状态的转换需要很快，以尽可能缩短切换时间。为了实现这一点，需要高瞬变电流来使栅极电容快速充电和放电。

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。