使用功率開關(guān)器件如何選擇驅(qū)動芯片

使用功率開關(guān)器件的工程師們肯定都有選擇驅(qū)動芯片的經(jīng)歷。面對標(biāo)稱各種電流能力的驅(qū)動產(chǎn)品時(shí)，往往感覺選擇非常困惑。特別是在成本壓力之下，總希望選擇一個(gè)剛好夠用的產(chǎn)品。以下內(nèi)容或許能給到些啟發(fā)。

首先來看一下這個(gè)驅(qū)動峰值電流的定義方式。這個(gè)很重要，不同公司的產(chǎn)品往往宣傳說法不一樣，所以要參考規(guī)格書。以下圖1是英飛凌的1EDI系列產(chǎn)品的電流表。比如1EDI60I12AH，我們常說它是6A的驅(qū)動。事實(shí)上，這個(gè)6A是它的最小值而它的典型值是10A。又比如圖2中的英飛凌新產(chǎn)品1ED3122MU12H，我們稱它為10A的驅(qū)動，而這個(gè)卻是典型值，但后面的測試條件欄里卻寫著VCC2-OUT=15V，這將是最大值里的典型值。繞口了有沒有？那是不是說明兩者的驅(qū)動帶載能力一樣的呢？如果不一樣又有什么差異？

圖1

圖2

我們可以借助示波器來一窺究竟，使用宣傳為6A的英飛凌1EDI60I12AF芯片，測試連接如圖3。輸出電流的測量可以在電容前串一個(gè)小電阻，因?yàn)檫@個(gè)電阻只是用來方便測量電流使用，所以越小越好。如果是測試開通的輸出能力的話就測量驅(qū)動芯片VCC和OUT之間的電壓。如果是測試關(guān)斷電流能力的話就測量驅(qū)動芯片OUT和VEE之間的電壓。然后使用示波器XY輸入模式，把測得的電壓用X軸展示，電流用Y軸展示，可以得到如圖4的曲線。這個(gè)是驅(qū)動芯片本身的電流能力。

圖3

圖4

但是實(shí)際中，無論是處于EMI的考量還是為了保護(hù)續(xù)流二極管，必然會使用門極電阻，而且為了功率門極不處于欠阻尼狀態(tài)，Rg≥√（L?C）。為了分析方便，我們先不考慮門極回路里的電感且把驅(qū)動內(nèi)部的MOS當(dāng)作一個(gè)可變電阻處理，那么如圖5，可以求出ig=（VCC-VDS-Vge）/Rg，用圖4的坐標(biāo)形式的話，將會是一系列平行的斜線，如圖6。斜率和電阻值相關(guān)，比如圖中的電阻是1.5Ω。門極電壓每充1V，斜線就沿橫坐標(biāo)往左平移1V。把圖4和圖6結(jié)合在一起得到了圖7，交點(diǎn)就是實(shí)際輸出的峰值電流，由于實(shí)際電路中肯定還有寄生電感，會限制到達(dá)峰值電流的速度，導(dǎo)致真實(shí)電流值更小。對于一般的中小功率而言，1.5Ω的門極電阻算小的了，理想無感的交點(diǎn)在6A。如果門極電阻再大些，交點(diǎn)電流將更低。這樣輸出電流的能力被電阻限制住了。所以英飛凌宣稱的6A并不是15V時(shí)對應(yīng)的電流值，而是考慮在功率器件標(biāo)稱電流對應(yīng)的米勒平臺時(shí)的電流能力。如果直接從橫坐標(biāo)15V的地方找對應(yīng)的電流甚至大于10A了。

圖5

圖6

圖7

下面我們再來看看新款的X3產(chǎn)品情況怎么樣。英飛凌X3系列的產(chǎn)品的輸出部分直接采用新一代的單獨(dú)的PMOS作為開通輸出級，如圖8所示。而不是像以前的產(chǎn)品那樣使用PMOS與NMOS結(jié)合的方式（如圖5）。選擇1ED3122MU12H產(chǎn)品繪制如圖9的電流能力曲線（根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)所得而非實(shí)際測量）。按照IGBT標(biāo)稱電流時(shí)的米勒電壓一般為9~10V來看，找到橫坐標(biāo)5、6V的時(shí)候電流能力達(dá)到了6A以上。和之前1EDI60I12AF相當(dāng)，如果用最大電流值標(biāo)稱的話就是10A了。由此可以看出和以前PMOS/NMOS結(jié)合的產(chǎn)品峰值電流差不多。但是由于PMOS的輸出不受限于Vgs，不會像圖7的source電流那樣有2V左右的閾值，而是和sink電流一樣可以直接到零！這樣實(shí)際測的話曲線會和圖7的sink電流類似，我們暫時(shí)用它假代PMOS的輸出曲線。可以看到即使在米勒電平時(shí)兩者的輸出限值一樣都是6A，但是一旦有外加的門極電阻后，PMOS的輸出能力更加出色，如圖7紅色圈所示。

圖8

圖9

由此可見，單純地給出一個(gè)驅(qū)動電流值是無法直接判斷帶載能力的。我們需要更多的信息，比如芯片內(nèi)部末級輸出形式、定義值的點(diǎn)在哪？更為重要的是，功率器件的門極電阻影響極大。如果外部電阻很大的話，會分掉更多的壓降，體現(xiàn)在圖7的電阻斜率更小，使得工作點(diǎn)左移，更近原點(diǎn)。如果這時(shí)候還看15V的電流能力就變得毫無意義了。而使用獨(dú)立的、電流更大的PMOS，可以解決NMOS作為共漏極輸出所需要的門檻電壓問題，輸出特性線整體左移，疊加外電阻影響后，實(shí)際可以獲得更高的電流。

最后，給個(gè)工程計(jì)算的方法。如果選定了最小門極電阻（臨界阻尼或者直接用IGBT規(guī)格書的測試電阻），那么門極的電壓差除以該電阻得到的電流，用這個(gè)值去選驅(qū)動芯片15V時(shí)對應(yīng)的電流大于它的產(chǎn)品就可以了。如果門極走線不理想，所用電阻偏大，那自然就不需要大電流更貴的驅(qū)動了。反過來，如果門極電阻極小，比如IGBT7的模塊甚至用到0.5歐姆以下，那么外加booster是解決方案。另外，超額電流地使用驅(qū)動雖然不能使開關(guān)損耗變小，但是可以使驅(qū)動芯片的功耗降低，減小發(fā)熱。