IGBT栅极驱动器FAN8800及其应用

2006-05-07 15:50:18来源: 国外电子元器件

FAN8800是美国Fairchild公司生产的单只栅极驱动器IC,用于驱动IGBT模块及功率MOSFET。这种采用8脚DIP封装的经济型器件具有完善的保护功能,能够驱动200A/600V和50~100A/1200V的IGBT。

1 引脚功能和参数

1.1 引脚功能

    FAN8800的内部电路原理框图如图1所示。表1列出了FAN8800的引脚功能。

表1 FAN8800引脚功能

脚  号 引脚名称 功    能    描    述
1 TDUR 故障输出持续时间。该时间可通过该脚外部的接地电容CDUR来设定。在CDUR=25.7nF下,TDUR典型值是170μs
2 GND 接地端
3 IN 栅极驱动输出(VOUT)控制输入
4 VEE 负电源电压
5 OUT 栅极驱动电压输出端
6 Vcc 正电源电压
7 FAULT 故障输出。在故障情况被检测时,该脚从逻辑低变为逻辑高
8 DESAT 离饱和(de-saturation)电压检测输入端

1.2 主要电气参数

FAN8800的主要参数如下:

●最大输出的电源电流/吸收(sink)电流:1A/2A;

●最大故障输出电源电流/吸收电流:25mA/10mA;

●最高输入电压(VIN):VEE-0.3V~Vcc;

●最大工作温度范围:-40~105℃;

●启动电压:11.5V;

●欠压闭锁(ULVO)门限电压:10.5V;

●电源工作电流:20mA;

●到高输出电平的传输延时(TPLH):0.35μs;

●到低输出电平的传输延时(TPLH):0.35μs;

●过电流保护(OCP)延尽时间(TOCP):80μs;

●短路保护(SCP)延迟时间(TSCP):0.3μs;

●上升时间(tr):50ns;

●下降时间(tf):50ns。

FAN8800的推荐工作参数如表2所列。

表2 推荐工作条件(Ta=25℃)

参  数 符  号 MIN TYPE MAX 单  位
正电源电压 VCC +13 +15 +18 V
负电源电压 VEE -13 -15 -18 V
工作环境温度 Ta -40 25 105

1.3 主要特点

    FAN8800的主要特点如下:

●具有过流和短路保护功能;

●内含CMOS兼容输入和故障状态指示器;

●故障输出持续时间可编程;

●内置故障条件下的慢关断电路;

●具有负栅极驱动能力;

●适用于集成功率模块;

●可用来驱动单只IGBT或功率MOFET。

2 功能与作原理

FAN8800的保护电路如图2所示。图中的高压快速恢复二极管D1与内部两个比较器用来检测IGBT的集电极电压而不是集电极电流。Q4与IGBT的工作状态是相反的。300μA的电流源用于对电容CDESAT充电,其电压为VDESAT。如果IGBT的饱和压缩为VCE(SAT),D1的正向压降为VF,那么,FSESAT=VCE(SAT)+VF。如果VDESAT≥4.5V,器件将在过电流保护(OCP)模式下工作;如果VDSAT≥6.5V,那么器件将进入短路保护(SCP)工作模式。当脚5上的驱动输出信号从低态向高态转换时,IGBT不会立即进入饱和导通状态,而是延时Td(no)。器件中用300μA的电流源对CDEAT充电的目的也就是为了防止Td(on)出现操作误差。

如果在IGBT中出现一个过电流,那么在一个83μs(在IC内部的一个固定值)的延时TOCP之后将在IC脚7上产生一个故障输出信号,如图3所示。

OCP模式产生的条件是:

4.5V

如果负载出现短路,FAN8800中的SCP电路可阻止IGBT因负载短路而发生损坏。当通过IGBT的电流超过短路解扣电平6.5V时,经过对电容CDESAT充电时间Tcharge和SCP延时TSCP之后,器件将产生一个故障输出信号以关闭控制器,相关波形如图4所示。为防止IGBT不出现误运输动作,对脚8外部电容CDESAT的充电时间应不小于1μs,一般选取3~5μs。为此,CDESAT可选取220pF并具有良好热特性的电容器。

故障输出持续时间TDUR=CDUR×(5V-1.4V)/55μA。当选取CDUR为2.7nF时,TDUR为176μs。

IGBT在出现故障时可通过FAN8800的OCP电路进行关断。而关断时的离散电感会在VCE上感生电压尖峰,FAN8800可利用慢关断电路来使电压尖峰最小化。图5给出了FAN8800的慢关断等效电路图及相关逻辑关系。利用它内部的35mA电流源可将IGBT的VGE吸收到关断电平,慢关断时间TSLOW与IGBT栅极和发射极之间的内部等效电容Cge密切相关。在Cge=4.7nF时,TSLOW约为1. 9μs。

图6所示为带输出缓冲器的FAN8800栅极驱动器的慢关断电路等效电路,图中由于从IGBT的栅极到IC内35mA电流源之间没有直接通路,故在Q2与VEE之间插入了P沟道MOSFET(Q3)。在正常工作期间,IGBT与Q3是同时导通的。当IGBT在正常工作条件下关断时,Q3给出了栅极到VEE之间的一条路径。在IGBT关断完成之后,Q3被关断。而当故障信号使Q3关断时,IGBT将在流过电阻RSLOW上的电流的作用下缓慢关断。

3 典型应用

图7给出了FAN8800采用单电源的应用电路。15V的电源电压约330μF和0.1μF的电容滤波和高频旁路后施加到IC的6脚。输入信号经光耦合器(如PC817)加至3脚,5脚上的输出用于驱动IGBT。脚1外部4.7nF的电容可用来决定故障输出持续时间,脚7上的故障输出信号经光耦合器连到指示器。

    FAN8800采用双电源供电的应用电路如图8所示。在该应用电路中,FAN8800的脚5输出上带缓冲器的应用电路。该电路也采用±15V对偶电源供电,被驱动的IGBT容量可达400A/600V。

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