IGBT驱动电流及电流扩展问题探讨

　　功率半导体驱动电路是集成电路的一个重要子类，功能强大，用于IGBT的驱动IC除了提供驱动电平和电流，往往带有驱动的保护功能，包括退饱和短路保护、欠压关断、米勒钳位、两级关断、软关断、SRC（slew rate control）等，产品还具有不同等级的绝缘性能。但作为集成电路，其封装决定了最大功耗，驱动IC输出电流有的可以做到10A以上，但还是不能满足大电流IGBT模块的驱动需求，本文将讨论IGBT驱动电流和电流扩展问题。

　　如何拓展驱动器电流

　　当需要增加驱动电流时，或驱动大电流、大栅极电容的IGBT时，就需要为驱动集成电路拓展电流。

　　采用双极性晶体管

　　利用互补射极跟随器实现电流拓展是 IGBT栅极驱动器最典型的设计，射极跟随器晶体管输出电流由晶体管的直流增益hFE或β和基极电流IB决定，当驱动IGBT所需要的电流大于IB*β，这时晶体管将进入线性工作区，输出的驱动电流不足，这时IGBT电容的充电和放电速度会变慢，IGBT损耗增加。具体计算案例最后讲。

　　采用MOSFET

　　MOSFET也可以用于驱动器的电流扩展，电路一般由PMOS+NMOS构成，但电路结构的逻辑电平与晶体管推挽相反。设计中上管PMOS的源极与正电源相联，栅极低于源极的一个给定电压PMOS就导通，而驱动集成电路输出一般是高电平开通，所以采用PMOS+NMOS结构时可能设计中需要一个反相器。

　　用双极晶体管还是MOSFET？

　　（1）效率差异，通常在大功率应用中，开关频率不是很高，所以导通损耗是主要的，这时晶体管有优势。目前不少高功率密度设计，例如电动汽车电机驱动器，密闭箱体内散热困难，温度高，这时效率非常重要，可以选择晶体管电路。

　　（2） 双极晶体管解决方案的输出有VCE（sat）造成的电压降，需要提高供电电压来补偿驱动管VCE（sat） 以实现15V的驱动电压，而MOSFET解决方案几乎可以实现一个轨至轨的输出。

　　（3）MOSFET的耐压，VGS仅20V左右，这在使用正负电源时可能是个需要注意的问题。

　　（4）MOSFET的Rds（on）有负的温度系数，而双极晶体管有正的温度系数，MOSFET并联时有热失控问题。

　　（5）如果驱动Si/SiC MOSFET，双极型晶体管的开关速度通常比驱动对象MOSFET要慢，这时应该考虑采用MOSFET扩展电流。

　　（6）输入级对ESD和浪涌电压的鲁棒性，双极型晶体管PN结与MOS栅极氧化物相比有明显优势。

　　双极晶体管和MOSFET特性不一样，用什么还是需要您自己按照系统设计要求决定。

　　扩展驱动集成电路电流的设计要点杂谈：

　　以1ED020I12-F2电流拓展设计为例，例子中带有源米勒钳位功能：

　　当应用外部电流扩展Booster时，会对应用电路功能产生一些限制，也会对驱动IC的特性产生影响。在此给出一些提示，供设计考虑。

　　（1）Booster电路中的PNP管同时也有钳位功能，但在RG栅极电阻的另一侧钳位电流受限于栅极电阻阻值，效果不太理想时，这样需要专门的米勒钳位电路直接接到IGBT栅极，如1ED020I12_F2中的有源米勒箝位功能CLAMP管脚。

　　1ED020I12-F2系列的有源米勒箝位功能可与外部booster一起使用，当米勒电流大于驱动IC的最大箝位能力时（1ED020I12-F2为2A），需要增加一个PNP管进行拓展米勒钳位能力。就是图中的PNP_CLAMP。在栅极电阻前的PNP_CLAMP晶体管应该具有与Booster的PNP晶体管相同的电流能力。

　　RP作为上拉电阻是出于安全考虑，推荐值为10kΩ，以保证电流在毫安级范围内，不希望太高的功耗 。

　　（2）一般正负电源供电不再需要源米勒钳位，如果要用的话，可以用拓展有源米勒钳制PNP_CLAMP，并把VEE2和GND2分开（本例子中是连在一起的）。

　　（3）DESAT（退饱和检测）功能不受外部Booster的影响。

　　（4）当使用外部Booster时，1ED020I12-FT/BT驱动IC的TLTO（两电平关断）功能无法实现。

　　（5）电源退耦电容CVCC2，需要根据外部Booster电路的情况进行增加，以保证电源电压的质量，使它足以支持全部电路的功耗。

　　（6）在进行PCB设计布局时，应避免大的寄生电感和寄生电容，如缩短回路，避免高dv/dt路径与接地路径之间的重叠等等。

　　（7）要注意Booster的功耗，特别是双极型晶体管功耗需要设计中认真对待，不要把它放在PCB上最热的地方。

　　推荐的Booster器件：

　　Diode公司有适用于驱动Booster的晶体管，有的规格还有汽车级版本。

　　譬如：ZX5T851G NPN和ZX5T951G PNP 6A 60V的对管，其饱和压降只有0.26Vmax。fT高达120-130MHz

　　简单图示设计实例：

　　结 论

　　虽然EiceDRIVER™新的系列产品驱动电流可以在10A以上，但在中大功率模块驱动中通过外接双极型三极管或MOSFET扩展电流是常见的设计，也是工程师要掌握的基本功。设计要从基极电阻RB选取着手，通过计算和测试决定基极电阻选值。Booster电路设计可以参考《IGBT模块：技术、驱动和应用》一书的多个章节，本文简单列举了用于电流拓展的三极管或MOSFET在各自电路上的表现，以及Booster电路在与驱动IC配合中的设计要点。

　　来源： 英飞凌工业半导体