使用功率开关器件如何选择驱动芯片

描述

使用功率开关器件的工程师们肯定都有选择驱动芯片的经历。面对标称各种电流能力的驱动产品时,往往感觉选择非常困惑。特别是在成本压力之下,总希望选择一个刚好够用的产品。以下内容或许能给到些启发。

首先来看一下这个驱动峰值电流的定义方式。这个很重要,不同公司的产品往往宣传说法不一样,所以要参考规格书。以下图1是英飞凌的1EDI系列产品的电流表。比如1EDI60I12AH,我们常说它是6A的驱动。事实上,这个6A是它的最小值而它的典型值是10A。又比如图2中的英飞凌新产品1ED3122MU12H,我们称它为10A的驱动,而这个却是典型值,但后面的测试条件栏里却写着VCC2-OUT=15V,这将是最大值里的典型值。绕口了有没有?那是不是说明两者的驱动带载能力一样的呢?如果不一样又有什么差异?

功率开关器件

图1

功率开关器件

图2

我们可以借助示波器来一窥究竟,使用宣传为6A的英飞凌1EDI60I12AF芯片,测试连接如图3。输出电流的测量可以在电容前串一个小电阻,因为这个电阻只是用来方便测量电流使用,所以越小越好。如果是测试开通的输出能力的话就测量驱动芯片VCC和OUT之间的电压。如果是测试关断电流能力的话就测量驱动芯片OUT和VEE之间的电压。然后使用示波器XY输入模式,把测得的电压用X轴展示,电流用Y轴展示,可以得到如图4的曲线。这个是驱动芯片本身的电流能力。

功率开关器件

图3

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图4

但是实际中,无论是处于EMI的考量还是为了保护续流二极管,必然会使用门极电阻,而且为了功率门极不处于欠阻尼状态,Rg≥√(L⁄C)。为了分析方便,我们先不考虑门极回路里的电感且把驱动内部的MOS当作一个可变电阻处理,那么如图5,可以求出ig=(VCC-VDS-Vge)/Rg,用图4的坐标形式的话,将会是一系列平行的斜线,如图6。斜率和电阻值相关,比如图中的电阻是1.5Ω。门极电压每充1V,斜线就沿横坐标往左平移1V。把图4和图6结合在一起得到了图7,交点就是实际输出的峰值电流,由于实际电路中肯定还有寄生电感,会限制到达峰值电流的速度,导致真实电流值更小。对于一般的中小功率而言,1.5Ω的门极电阻算小的了,理想无感的交点在6A。如果门极电阻再大些,交点电流将更低。这样输出电流的能力被电阻限制住了。所以英飞凌宣称的6A并不是15V时对应的电流值,而是考虑在功率器件标称电流对应的米勒平台时的电流能力。如果直接从横坐标15V的地方找对应的电流甚至大于10A了。

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图5

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图6

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图7

下面我们再来看看新款的X3产品情况怎么样。英飞凌X3系列的产品的输出部分直接采用新一代的单独的PMOS作为开通输出级,如图8所示。而不是像以前的产品那样使用PMOS与NMOS结合的方式(如图5)。选择1ED3122MU12H产品绘制如图9的电流能力曲线(根据设计参数所得而非实际测量)。按照IGBT标称电流时的米勒电压一般为9~10V来看,找到横坐标5、6V的时候电流能力达到了6A以上。和之前1EDI60I12AF相当,如果用最大电流值标称的话就是10A了。由此可以看出和以前PMOS/NMOS结合的产品峰值电流差不多。但是由于PMOS的输出不受限于Vgs,不会像图7的source电流那样有2V左右的阈值,而是和sink电流一样可以直接到零!这样实际测的话曲线会和图7的sink电流类似,我们暂时用它假代PMOS的输出曲线。可以看到即使在米勒电平时两者的输出限值一样都是6A,但是一旦有外加的门极电阻后,PMOS的输出能力更加出色,如图7红色圈所示。

功率开关器件

图8

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图9

由此可见,单纯地给出一个驱动电流值是无法直接判断带载能力的。我们需要更多的信息,比如芯片内部末级输出形式、定义值的点在哪?更为重要的是,功率器件的门极电阻影响极大。如果外部电阻很大的话,会分掉更多的压降,体现在图7的电阻斜率更小,使得工作点左移,更近原点。如果这时候还看15V的电流能力就变得毫无意义了。而使用独立的、电流更大的PMOS,可以解决NMOS作为共漏极输出所需要的门槛电压问题,输出特性线整体左移,叠加外电阻影响后,实际可以获得更高的电流。

最后,给个工程计算的方法。如果选定了最小门极电阻(临界阻尼或者直接用IGBT规格书的测试电阻),那么门极的电压差除以该电阻得到的电流,用这个值去选驱动芯片15V时对应的电流大于它的产品就可以了。如果门极走线不理想,所用电阻偏大,那自然就不需要大电流更贵的驱动了。反过来,如果门极电阻极小,比如IGBT7的模块甚至用到0.5欧姆以下,那么外加booster是解决方案。另外,超额电流地使用驱动虽然不能使开关损耗变小,但是可以使驱动芯片的功耗降低,减小发热。

  审核编辑:彭菁
 
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