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IGBT驱动之数字隔离门极驱动器

IGBT驱动隔离用光电耦合器缺点:
光电耦合器的使用历史已超过40 年,由于本质上受限于过时的LED 技术,导致其输出信号对于输入电流、温度和老化的变动非常敏感。输出变化将降低光电耦合器生命周期中的运行性能和可靠性,从而增加设计的复杂性,缩短最终产品的寿命。受其老化的影响,光电耦合器的使用寿命通常仅约10 年,对于想要开发具有20 年以上质保期产品的电力电子系统设计人员来说是非常严重的问题。文章来源:http://www.igbt8.com/qd/159.html
光耦设计IGBT驱动人员面临的挑战
可靠性
重要参数会随温度,电压,时间而偏移
LED的光效率会随使用时间和温度而降低
差的时序特性
传输延迟大,由于LED开关速度慢导致一致性差
共模噪声的抑制
在驱动,通讯,电源应用中很关键
能效低
LED驱动需要大电流,~10mA
为缓解这些问题就需要增加BOM,降低使用寿命以及复杂的系统设计
光电耦合器
隔离器的失效机理:
隔离器的失效主要是由于电介质的缺陷引起的
隔离产品的制造商有多种电介质可供选择
•聚合物– 光耦采用的隔离材料
•二氧化硅 (SiO2) – Silicon Labs 隔离产品采用的隔离材料
•在达到同级隔离性能的同时隔离层可以做的更薄
•全球销售的数以亿计的晶体管采用SiO2的电介质
器件的隔离性能是由电介质决定的
Si8xxx 产品使用SIO2作为电介质
•SiO2是半导体的标准电介质,可以保证产品的使用寿命超过30年
•SiO2 有很低的失效率
•SIO2的介电强度是500V/μm
光耦采用的是聚合物电介质
•失效率很高
•介电强度是50-200V/um
隔离器的失效机理
 
SiO2 电介质的性能
现代低压CMOS工艺让SIO2承受很高的电场应力
CMOS手机中的1.8V 晶体管:
•晶体管电压 = 1.8V
•电介质厚度 = 4nm
•电场= 4.5 MV/cm
Si8xxx SiO2 电场应力
5kV隔离等级的器件,工作电压1.6kV
•电介质厚度= 16um
•电场= 1MV/cm
•Si8xxx SiO2 承受的电场应力相当于普通手机中SIO2承受的电场应力的1/5
SiO2 是被广范使用和研究的电介质材料
SiO2 在订单的数量级要远大于聚合物的数量级
相关基金会已投入数十亿美元用于开发和测试使用SIO2
在各种应用中使用的数十亿CMOS产品已经充分验证了SIO2的高可靠性。
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