Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 介面技術
 
 
介面技術  

智慧型功率模組光隔離介面電路在電源轉換中的應用

上網時間: 2009年06月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功率模組  IPM  IGBT 

與整合HVIC的IPM電路介接

IPM已經逐漸朝向整合高電壓積體電路(HVIC)到閘極驅動電路上的趨勢發展,HVIC技術可以讓低電壓電路透過位準轉換製程來控制高電壓功率元件。

如圖2整合HVIC的IPM中,高電壓端閘極驅動輸出電路隨著IGBT浮動,因此必需由另一個靴帶式電源VB供電,由低電壓端到高電壓端,所有的閘極驅動輸入電路都可以連接到一個相同電源VCC,同時輸入邏輯位準也與5V到20V的範圍相容。光耦合器還是必須被用來做為微控制器與IPM的介面,主要目的是提供低電壓端與高電壓電路間的電氣安全隔離。光耦合器經過測試以取得輸入與輸出接腳間電氣安全標準的認證,而HVIC與IPM則在包裝基體與電路間,而不是由低電壓到高電壓電路進行測試,這代表了如果高電壓打穿HVIC的位準轉換介電層或接點,就會造成輸出與輸入間發生短路。

圖2:光耦合器與整合HVIC的IPM介接。
圖2:光耦合器與整合HVIC的IPM介接。

光耦合器同時也可以用來避免IGBT切換時的瞬間變化雜訊干擾到低電壓端的控制電路,以圖二中U點高電壓端IGBT射極的電壓位準為例,它會在直流匯流排HV-與HV+間變化,通常高達數百甚至數千伏特,HVIC的閘極驅動電源VS與U點有相同的電壓位準,同時也會在高電壓匯流排上變化,假設直流匯流排的電壓為800V,IGBT VCE的上升/下降時間為0.1μs,那麼這個切換動作將會產生以下的瞬間電壓變化:

dV/dt=800V/0.1μs=8kV/μs

如果沒有提供電氣隔離,那麼這個瞬間突波可能會流經閘極驅動電路到達微控制器,干擾PWM切換訊號甚至破壞微控制器或IGBT。

在馬達驅動電路中其實還存在有另一種型態的瞬間變化雜訊,並以電氣快速變化(EFT)測試代表,在IEC 60801-4或IEC 61000-4-4中的一個EMC測試步驟會透過電容性耦合箝位電路將一個高電壓突波脈衝送到馬達驅動電路上,在耦合到訊號線時,使用2kV的電壓,如果是耦合到電源線,則為4kV的高電壓。由於脈衝的上升/下降時間只有短短的5ns,因此EFT的dV/dt會高達數百kV/μs,這代表EFT的dV/dt將會產生相當大的瞬間變化雜訊到訊號或電源線上,如果低電壓端訊號與高電壓端的功率電路沒有進行隔離,那麼這些瞬間變化訊號會互相干擾,造成馬達驅動電路無法通過EFT測試。

共模拒斥(CMR)是產品在維持正確輸出邏輯狀態條件下可以忍受的最大共模電壓VCM變化率,CMR失效會造成輸出現正脈衝或負脈衝形式的雜訊,這個關鍵規格可以確保超高直流電壓驅動資訊的可靠傳送以及快速的切換動作,CMR效能以輸入與輸出電路接地間特定上升/下降時間(t下的共模電壓VCM進行測試,如果輸出電壓沒有受到這個電壓變化的干擾影響,那麼就可以由CMR=VCM/(t計算出CMR,這個規格同時也受到VCM電壓差幅度的影響,當VCM電壓上升時,CMR可能會大幅下滑,Avago的ACPL-P480在VCM=1kV時最低CMR為20kV/μs。

ACPL-P480的輸出級電路採用圖騰柱電晶體對形式,因此不需要提升電阻,並在高位準運作時提供VCC與VOUT間的超低輸出阻抗,如果光耦合器為開集極電晶體輸出,那麼VCC與VOUT間的阻抗就會受到提升電阻的限制,如果IPM輸入阻抗沒有非常高,那麼圖騰柱輸出就可以提供與IPM介接的良好阻抗餘裕空間,ACPL-4800的正邏輯可以搭配正邏輯IPM,這代表了當控制端的電源沒有啟動時,IGBT將為保持在關斷狀態。

遲滯時間控制

波寬調變以固定頻率但脈衝波寬變化的方式運作,在工業應用中,假設IPM的切換頻率選在5kHz到20kHz,那麼我們需要了解,要確保這些波寬訊號能夠被正確傳送而不會出現邏輯錯誤必須符合甚麼樣的要求,首先我們將20kHz的切換速度反向轉換,成為50μs的週期區間,如果PWM的有效週期率可以由1%到99%,那麼最窄的脈衝,不管是高電位或低電位,就代表了整個週期時間的1%:

tMIN=(1/20kHz) x 0.01=500ns

要能夠精確地傳送最短可能脈衝,那麼在整個工作溫度範圍內,光耦合器的最大傳遞延遲時間必須短於tMIN,在這個例子中,大約2MBd的光耦合器,例如ACPL-W456就可以滿足需求。

由於光耦合器每通道的延遲時間不盡相同,因此高低通道IGBT同時導通時將會造成大量電流流經元件,要避免半橋式IGBT發生短路打穿情況,遲滯時間的控制被事先規劃在微控制器內,遲滯時間為微控制器PWM訊號讓高電壓以及低電壓端IGBT都處於關斷狀態的時間。

將PWM訊號的遲滯時間降到最低可以提升馬達的工作效率,這代表了設計工程師必須考慮光耦合器的傳遞延遲特性以及IPM IGBT閘極驅動電路的特性,當只考慮光耦合器的延遲特性時(IPM IGBT閘極驅動電路的特性也可以以相同方式分析),相當重要的一點是必須瞭解最小與最大導通或關斷的傳遞延遲規格tPLH/tPHL,特別是在目標工作溫度範圍內。

零遲滯時間發生在高電壓端IGBT關斷輸入與低電壓端IGBT導通輸入發生在同一個時間點時,這個情況決定了高通道LED關斷以及低通道LED導通間的最短延遲,與光耦合器最大傳遞延遲差異有關。在圖二中,ACPL-P480與IPM都為正邏輯,這代表了在高通道LED關斷之後,導通低通道光耦合器LED的延遲在tPHL(max)-tPLH(min)時可以達到最短遲滯時間,請注意,在大部份的設計中,光耦合器會被安排在相互間相當接近的位置,所以我們可以假設用來計算PDD的傳遞延遲處於相同溫度下,因此實際運作時的傳遞延遲並不等於產品規格書中所標示的tPHL(max)-tPLH(min),因為它們是整個工作溫度範圍內的最大值。

PDD定義為相同工作環境下任意兩個元件或通道間的傳遞延遲差異(tPHL-tPLH),例如在圖二中,tPHL為高通道ACPL-P480輸出由高到低的傳遞延遲,tPLH則為低通道ACPL-P480輸出由低到高的傳遞延遲,tPHL/tPLH的最小與最大值可以由工作溫度範圍內的任何溫度分佈取得,因此PDDMAX=tPHL(max)-tPLH(min)而PDDMIN=tPHL(min)-tPLH(max),以ACPL-P480為例,在-40℃到100℃溫度範圍內,PDDMAX為250ns,PDDMIN則為-100ns。

將LED訊號以最大傳遞延遲差進行延遲可以確保最小遲滯時間為0,但卻無法告訴設計工程師最大的遲滯時間是多少,最大遲滯時間會發生在最不可能出現的狀況,也就當高通道光耦合器具有最快tPHL而低通道具有最慢tPLH的情況發生在相同變頻器一腳時,在這樣的情況下,最大遲滯時間由tPH與tPLH傳遞延遲分佈的總合表示,最大遲滯時間同時也等於最大與最小傳遞延遲差PDD規格的差異。

最大遲滯時間Dead TimeMAX=PDDMAX-PDDMIN

在-40℃到100℃的整個工作溫度範圍下,ACPL-P480由光耦合器所造成的最大遲滯時間為350ns(=250ns-[-100ns])。

本文小結

要建構可靠穩固的電源轉換電路,IGBT介面光耦合器提供了高達5,000VAC的電氣安全絕緣電壓以及30kV/μs的共模雜訊拒斥能力,這是其他隔離電路所無法達到的效能。要確保正確的PWM訊號傳送,必須使用傳遞延遲時間大於PWM訊號最小波寬以及由光耦合器PDD範圍計算所得遲滯時間的光耦合器,依PWM切換頻率不同,可能需要1MBd到5MBd資料傳輸率的產品。


作者:何軍華

產品經理

Avago Technologies


 First Page Previous Page 1 • 2



投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 智慧型功率模組光隔離介面電路在電源轉...
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首