正确理解驱动电流与驱动速度

本文主要阐述了在驱动芯片中表征驱动能力的关键参数：驱动电流和驱动时间的关系，并通过实验解释了如何正确理解这些参数在实际应用中的表现。

概述

驱动芯片

功率器件如MOSFET、IGBT需要驱动电路的配合从而得以正常地工作。图1显示了一个驱动芯片驱动一个功率MOSFET的电路。当M1开通，M2关掉的时候，电源VCC通过M1和Rg给Cgs，Cgd充电，从而使MOSFET开通，其充电简化电路见图2。当M1关断，M2开通的时候，Cgs通过Rg和M2放电，从而使MOSFET关断，其放电简化电路见图3。

图 1. 功率器件驱动电路

图 2. 开通时的简化电路及充电电流

图 3. 关断时的简化电路及放电电流

驱动电路的驱动能力影响功率器件的开关速度，进而影响整个系统的效率、电磁干扰等性能。驱动能力太强会导致器件应力过高、电磁干扰严重等问题; 而驱动能力太弱会导致系统效率降低。因此，选择一个适当驱动能力的芯片来驱动功率器件就显得至关重要。

衡量驱动能力

的主要指标

驱动电流

和驱动速度

衡量一个驱动芯片驱动能力的指标主要有两项：驱动电流和驱动的上升、下降时间。这两项参数在一般驱动芯片规格书中都有标注。而在实际应用中，工程师往往只关注驱动电流而忽视上升、下降时间这一参数。事实上，驱动的上升、下降时间这个指标也同样重要，有时甚至比驱动电流这个指标还重要。因为驱动的上升、下降时间直接影响了功率器件的开通、关断速度。

图 4. MOSFET开通时驱动电压和驱动电流

图4显示了一个MOSFET开通时门极驱动电压和驱动电流的简化时序图。t1到t2这段时间是门极驱动的源电流（IO+）从零开始到峰值电流的建立时间。在t3时刻，门极电压达到米勒平台，源电流开始给MOSFET的米勒电容充电。在t4时刻，米勒电容充电完成，源电流继续给MOSFET的输入电容充电，门极电压上升直到达到门极驱动的电源电压VCC。同时在t4到t5这个期间，源电流也从峰值电流降到零。

这里有一个很重要的阶段：t1到t2的源电流的建立时间。不同的驱动芯片有不同的电流建立时间，这一建立时间会影响驱动的速度。

测试对比

以下通过实测两款芯片SLM2184S和IR2184S的性能来说明驱动电流建立时间对驱动速度的影响。

表格1对比了SLM2184S和IR2184S的各项测试。虽然SLM2184S的峰值源电流[IO+]和峰值灌电流[IO-]比IR2184S的测试值偏小，但是SLM2184S的电流建立时间远比IR2184S的建立时间更短。

表格1：SLM2184S 和IR2184S驱动电流和驱动时间对比

因此，在负载电容（比如MOSFET的输入电容）较小的时候，SLM2184S的驱动速度并不比IR2184S的驱动速度慢。如在1nF的负载电容下，两者的驱动速度基本一致。只有当负载电容较大的时候，如在3.3nF的情况下，SLM2184S的驱动速度才会比IR2184S慢。

实测

SLM2184S vs IR2184S 

驱动测试对比

图5~图16: 实测SLM2184S的驱动电流和驱动时间的波形。

图17~图28: 实测IR2184S的驱动电流和驱动时间的波形。

SLM2184S驱动测试

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动源电流

图5：SLM2184S的驱动源电流

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动源电流

图6：SLM2184S的驱动源电流上升速度

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动灌电流

图7：SLM2184S的驱动灌电流

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动灌电流

图8：SLM2184S的驱动灌电流上升速度

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动源电流

图9：SLM2184S的驱动上升速度

负载电容1nF

CH2: 驱动输出

图10：SLM2184S的驱动上升速度

负载电容1nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动灌电流

图11：SLM2184S的驱动下降速度

负载电容1nF

CH2: 驱动输出

图12：SLM2184S的驱动下降速度

负载电容1nF

CH2: 驱动输出

图13：SLM2184S的驱动上升速度

负载电容2.2nF

CH2: 驱动输出

图14：SLM2184S的驱动上升速度

负载电容3.3nF

CH2: 驱动输出

图15：SLM2184S的驱动下降速度

负载电容2.2nF

CH2: 驱动输出

图16：SLM2184S的驱动下降速度

负载电容3.3nF

IR2184S驱动测试

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动源电流

图17：IR2184S的驱动源电流

负载电容100nF

CH1: 驱动输人; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动源电流

图18：IR2184S的驱动源电流上升速度

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动灌电流

图19：IR2184S的驱动灌电流

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动灌电流

图20：IR2184S的驱动灌电流上升速度

负载电容100nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动源电流

图21：IR2184S的驱动上升速度

负载电容1nF

CH2: 驱动输出

图22：IR2184S的驱动上升速度

负载电容1nF

CH1: 驱动输入; CH2: 驱动输出; CH4: 驱动灌电流

图23：IR2184S的驱动下降速度

负载电容1nF

CH2: 驱动输出

图24：IR2184S的驱动下降速度

负载电容1nF

CH2: 驱动输出

图25：IR2184S的驱动上升速度

负载电容2.2nF

CH2: 驱动输出

图26：IR2184S的驱动上升速度

负载电容3.3nF

CH2: 驱动输出

图27：IR2184S的驱动下降速度

负载电容2.2nF

CH2: 驱动输出

图28：IR2184S的驱动下降速度

负载电容3.3nF

 

测试总结

从以上实验测试可以看到，驱动芯片的驱动速度不仅取决于驱动电流的大小，还受到诸如驱动电流建立时间、MOSFET的输入电容等因素的影响。有些驱动芯片的驱动电流虽然比较大，但由于它的电流上升和下降速度很慢，并没有很好地发挥大驱动电流的作用，甚至在大部分应用场合下驱动速度（tr和tf）不如驱动电流小的驱动芯片。因此，在选择驱动芯片的时候，不仅要关注驱动电流的大小，也要关注在一定负载电容下的上升、下降时间。当然最为妥当的办法是根据实际选择的功率管测量驱动端的波形，从而判断是否选择了合适的驱动芯片。

关于数明半导体

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审核编辑 ：李倩