隔離式柵極驅動器的峰值電流

作者：Ryan SchnellandSanket Sapre

在考慮將哪種柵極驅動器用于應用時，一個常見問題是：驅動器可以提供的峰值電流是多少？峰值電流是柵極驅動器數(shù)據(jù)手冊中最重要的參數(shù)之一。該指標通常被視為柵極驅動器驅動強度的全部和最終指標。打開和關閉MOSFET/IGBT的時間與柵極驅動器可以提供的電流有關，但并不能說明全部情況。峰值電流一詞在業(yè)界非常普遍，以至于它被包含在許多柵極驅動器數(shù)據(jù)手冊的標題中。盡管如此，它的定義因部分而異。本文討論了在為特定應用選擇柵極驅動器時，使用峰值電流作為決定因素的問題，并比較了數(shù)據(jù)手冊中一些更常見的峰值電流表示形式。本文對標題中峰值電流數(shù)值相似的柵極驅動器進行了比較，并討論了柵極驅動強度。

示例應用程序

隔離式柵極驅動器提供電平轉換、隔離和柵極驅動強度，以便操作功率器件。這些柵極驅動器的隔離特性允許高側和低側器件驅動，并且能夠在使用合適的器件時提供安全柵。示例應用程序如圖 1 所示。VDD1和 V電子數(shù)據(jù)分析位于單獨的接地基準上，并且每個基準的電壓可能不同。在本文中，引腳 1 到引腳 3 將稱為初級側，引腳 4 到引腳 6 將稱為次級側。柵極驅動器提供的隔離很容易達到數(shù)百伏，從而允許更高的系統(tǒng)總線電壓。

合適的隔離式柵極驅動器必須能夠再現(xiàn)初級側的時序，并足夠快地驅動功率器件的柵極，以便開關轉換是可以接受的。更快的開關轉換可以降低開關損耗，因此快速切換的能力通常是一個搶手的特性。作為一般規(guī)則，在一種類型的開關技術中，功率器件可以處理的功率越大，它給柵極驅動器帶來的負載就越大。

圖1.

ADuM4120

的典型應用

隔離式柵極驅動器通常用于半橋配置，如圖2所示。高端驅動器必須能夠在系統(tǒng)地和V之間擺動總線電壓，同時為其驅動的功率器件提供必要的驅動強度。

圖2.典型的半橋應用。

負載注意事項

對MOSFET/IGBT的柵極進行充電或放電所需的時間決定了器件的開關速度。在實際使用中，增加了一個外部串聯(lián)柵極電阻，以調節(jié)柵極電壓上升/下降時間，并與柵極驅動器IC共享功耗。通過將功率器件建模為電容器，并將柵極驅動器與MOSFET輸出級通過外部串聯(lián)柵極電阻進行建模，我們得到了如圖3所示的RC電路。該簡化模型中的源峰值電流方程為 IPK_SRC= VDD/（RDS（ON）_P( 1內線），灌電流峰值電流為IPK_SNK= VDD/（RDS（打開）_N( 1內線).對于短路峰值電流測量，R內線設置為 0 Ω，但在應用中，存在一個外部串聯(lián)電阻。

圖3.柵極充電和放電的簡化RC模型。

哪里：

RDS（打開）_N是柵極驅動器NMOS的導通電阻。

RDS（ON）_P是柵極驅動器PMOS的導通電阻。

R內線是外部串聯(lián)柵極電阻。

CGATE_EQUIV是功率器件的等效電容。

數(shù)據(jù)手冊標題中的歧義

峰值電流的預期用途是以簡潔的方式創(chuàng)建柵極驅動強度的比較，但該值的表示因零件和制造商而異。圖4顯示了I-V曲線表示，以及柵極驅動制造商用來給出峰值電流值的一些常見電平。特定MOSFET的I-V曲線的飽和水平隨硅工藝和溫度變化很大，通常變化為典型值的±2倍。

在許多數(shù)據(jù)手冊中，數(shù)據(jù)手冊中提到的峰值電流是典型的飽和電流，它是通過將輸出短路到相對較大的電容，或者通過將驅動器脈沖短路到非常短的持續(xù)時間來實現(xiàn)的。很少有數(shù)據(jù)手冊明確顯示輸出驅動器在溫度和工藝變化下的最小和最大I-V曲線，但如果使用典型飽和值作為峰值電流值，則在實際應用中，有些器件無法提供或吸收那么大的電流。有些數(shù)據(jù)手冊會標注出最大飽和值，有些數(shù)據(jù)手冊會標注最小飽和值。描述驅動器中可用峰值電流的另一種方法是描述最低I-V曲線或最小線性電流的線性區(qū)域中的最高電流。通過指定此數(shù)字，用戶可以知道應用程序中的所有部件都能夠源出或吸收超過此指定值的源出或吸收。該值是保守的，但用戶可以知道，通過適當調整外部串聯(lián)柵極電阻的尺寸，柵極驅動器輸出FET不會在整個溫度和工藝變化中處于飽和區(qū)域。

峰值電流的生產(chǎn)測試通常非常困難，在測試環(huán)境中接觸器的電流限制。隔離式柵極驅動器的峰值電流規(guī)格通過設計和/或特性來保證的情況并不少見。不同的制造商可能會也可能不會提及峰值電流的最小值或最大值。因此，對于使用哪種峰值電流表示來比較器件之間，尚無一致意見。需要注意的是，峰值電流不是恒定電流或平均電流。如果柵極驅動器輸出在輸出FET的線性區(qū)域中正常工作，則峰值電流僅存在于開關的最開始時。

圖4.輸出驅動器FET的I-V曲線示例。

盡管溫度和工藝變化范圍內的完整最小和最大飽和曲線幾乎從未寫入數(shù)據(jù)手冊，但一些隔離式柵極驅動器制造商提供了輸出驅動器的典型I-V曲線。這可以表示為短路I-V曲線，也可以表示為外部串聯(lián)柵極電阻，以更接近實際應用使用情況。當查看包含外部串聯(lián)電阻的I-V曲線時，電壓軸通常指定在次級側電壓中，這意味著繪制的電壓為VDD2內部 R 共享電壓DS（ON）和外部串聯(lián)柵極電阻。

圖5顯示了數(shù)據(jù)手冊中ADuM4121的典型I-V曲線。需要注意的是，ADuM4121在數(shù)據(jù)手冊標題中提到了2 A驅動能力，但典型飽和電流超過7 A。這是因為該特定數(shù)據(jù)手冊在標題中使用了峰值電流的保守定義，告訴用戶該器件在所有溫度和工藝變化下絕對可以提供2 A電流。該I-V曲線也采用2 Ω外部串聯(lián)柵極電阻，以模擬實際應用性能。重要的是要確保用戶比較的產(chǎn)品峰值電流定義在不同器件之間是相同的，否則比較可能會錯過關鍵因素。

圖5.ADuM4121數(shù)據(jù)手冊I-V曲線

米勒電容

雖然MOSFET或IGBT大致表現(xiàn)為容性負載，但由于動態(tài)柵極-漏極電容，存在非線性，這導致米勒平臺區(qū)域，電容在導通（圖6）和關斷轉換期間發(fā)生變化。在此米勒平臺區(qū)間內，最需要柵極電容的充電電流。峰值電流數(shù)此時不考慮當前值。然而，較高的峰值電流意味著米勒高原區(qū)域的電流通常會更大。

圖6.顯示米勒高原的IGBT的開啟躍遷。

功耗：主要考慮因素

為了對功率器件的柵極進行充電和放電，必須消耗能量。如果使用等效電容模型，并且每個開關周期都發(fā)生柵極完全充電和放電，則隔離式和非隔離式柵極驅動器的柵極開關動作消耗的功率為：

哪里：

P迪斯是在一個周期內切換柵極的功耗。

C情 商是等效柵極電容。

VDD2是功率器件柵極的總電壓擺幅。

QG_TOT是功率器件的總柵極電荷。

fS是系統(tǒng)的開關頻率。

需要注意的是，等效柵極電容C情 商，與 C 不同HS2可在功率器件數(shù)據(jù)手冊中找到。它通常比 C 大 3 到 5 倍HS2，和總柵極電荷，QG_TOT，是一個更準確的數(shù)字。還應該注意的是，充電和放電的串聯(lián)電阻不在此等式中出現(xiàn)，因為這僅與開關動作中消耗的總功率有關，而與柵極驅動器IC內的功耗無關。

由于隔離式柵極驅動器的隔離特性，標準要求不同的隔離區(qū)域通過足夠的爬電距離和間隙距離分開。初級到次級區(qū)域路徑中的任何電流導體都會減去爬電距離和間隙距離，因此，很少看到裸露焊盤或散熱片可用于隔離柵極驅動器。這意味著幫助降低集成電路熱阻的主要方法之一不可用，導致將功耗轉移到隔離式柵極驅動器封裝之外以允許在給定工作點實現(xiàn)更高環(huán)境溫度操作的重要性更高。

由于無法向隔離式柵極驅動器添加散熱片，所用封裝的熱阻大致與引腳數(shù)、內部金屬化、引線框架連接和封裝尺寸有關。對于給定的隔離式柵極驅動器部件號，在比較可用器件時，封裝尺寸、引腳數(shù)和引腳排列通常相同，導致競爭器件之間的θ-JA編號大致相同。

柵極驅動器IC內的散熱是導致內部結溫升高的原因。公式1中計算的功耗是功率器件柵極上下的總功耗。柵極驅動器IC內的功耗在輸出驅動FET的內部電阻之間分配，RDS（打開）_N和 RDS（ON）_P和外部串聯(lián)柵極電阻，R內線.如果柵極驅動器主要在線性區(qū)域工作，則柵極驅動器IC經(jīng)歷的功耗比為：

如果 RDS（打開）_N= RDS（ON）_P= RDS（ON），公式2可以簡化為：

柵極驅動器IC從功率器件開關中獲得的總功率變?yōu)楣?乘以公式3：

從公式4可以看出，較小的RDS（ON）導致隔離式柵極驅動器內發(fā)生的功耗比例較小。如果要滿足所需的上升/下降時間，則應保留功率器件柵極充電和放電的RC常數(shù)。RC常數(shù)中的電阻是內部R的串聯(lián)組合DS（ON）和外部串聯(lián)柵極電阻。換句話說，如果在應用中使用兩個競爭驅動器具有相同的上升和下降速度，則具有較低R的驅動器DS（ON）允許更大的外部串聯(lián)柵極電阻，同時保持總串聯(lián)電阻相同，這意味著柵極驅動器IC本身的功耗更小。

比較案例研究

為了演示峰值電流定義如何因產(chǎn)品而異，并展示較低R的優(yōu)勢DS（ON）在一個隔離式柵極驅動器中，選擇了三個標題中提到的具有4 A的隔離式半橋驅動器。所有三個驅動器都具有相似的爬電距離、間隙、引腳排列和焊盤模式。這允許使用通用布局來測試所有三個部分。ADuM4221評估板用作測試平臺，用于比較ADuM4221和兩個器件（競爭產(chǎn)品1和競爭產(chǎn)品2）。評估板如圖7所示。

圖7.ADuM4221評估板

表1總結了每種數(shù)據(jù)手冊的要求。

如果嚴格比較數(shù)據(jù)手冊中的值，則競爭對手2應該提供最強的柵極驅動，因此在給定負載下具有最快的上升和下降時間。為了簡化分析，負載使用分立陶瓷電容器，因此波形中不存在米勒平臺。此外，僅使用雙輸出驅動器的一個輸出。

對于第一個測試條件，每個驅動器通過0.5 Ω外部串聯(lián)柵極電阻加載一個100 nF電容，配置如圖3所示。在驅動器上執(zhí)行單次導通和關閉，以保持驅動器內的功耗較低。該測試與峰值短路測試非常相似。結果如圖8和圖9所示。

圖8.開啟測試。100 nF，0.5 Ω R內線.（a） 電壓與時間的關系。（b） 當前與時間。

圖9.關閉測試。100 nF，0.5 Ω R內線.（a） 電壓與時間的關系。（b） 當前與時間。

圖8顯示，不同驅動器的開啟速度存在很大差異。令人驚訝的是，具有最高市售峰值電流的驅動器具有最慢的上升時間。電流波形顯示，驅動器提供的電流都超過了承諾的電流值，但競爭對手2無法承受高電流?？偵仙龝r間是電流積分的函數(shù)。查看圖 9 所示的下降時間，所有三個部件的性能都相對相似。雖然不同產(chǎn)品的峰值電流相似，但競爭對手 2 的持續(xù)電流最低?？傮w而言，這三個器件在關斷測試中表現(xiàn)相似。從該測試中，我們可以看到，使用數(shù)據(jù)手冊中的峰值電流數(shù)時，數(shù)據(jù)手冊中的器件性能更強，其驅動器強度低于其他器件。

第二個測試條件是調整所有三個驅動器，使上升和下降時間相似，然后以恒定的開關頻率操作器件以評估熱性能。如圖8所示，ADuM4221的上升時間最快，允許使用更大的外部串聯(lián)柵極電阻，以匹配其他驅動器的上升時間。研究發(fā)現(xiàn)，1.87 Ω的外部串聯(lián)柵極電阻使ADuM4221具有相似的上升和下降時間，而競爭產(chǎn)品1為0.91 Ω，競爭產(chǎn)品2使用0.97 Ω外部串聯(lián)柵極電阻導通。ADuM4221的關斷電阻調諧至0.97 Ω。輸入和輸出波形如圖10所示。

圖 10.調整了所有三個驅動器的上升/下降。通道1 = 輸入，通道2 = ADuM4221，通道3 = 競爭產(chǎn)品1，通道4 = 競爭產(chǎn)品2。

當上升和下降時間調諧為等效時，電流波形的積分具有可比性，并且在功率器件中看到的開關損耗在應用中將具有可比性。通過使用更大的外部串聯(lián)柵極電阻器，可以在隔離式柵極驅動器之外共享更多的熱負載。圖11、圖12和圖13顯示了三個驅動器在相同環(huán)境溫度下工作、開關頻率為100 kHz、次級側電壓為15 V和負載電容為100 nF的熱圖像。

圖 11.ADuM4221熱圖像

圖 12.競爭對手 1 熱圖像。

圖 13.競爭對手 2 熱圖像。

熱像儀的標線是隔離式柵極驅動器的輸出區(qū)域。每個器件右側的亮點是外部串聯(lián)柵極電阻。圖11顯示，外部串聯(lián)柵極電阻比其他兩個熱圖像更熱。這是預期的操作，是可取的。所有三項測試均在相同的開關頻率和相同的負載電容下工作，因此總功耗相同。外部電阻消耗的功率越多，柵極驅動器IC本身的功耗就越小。

競爭產(chǎn)品1的IC表面溫度比ADuM4221高35.3?C，由于R值更高，因此競爭產(chǎn)品的熱限制更高。DS（ON）.同樣，與ADuM4221相比，競爭產(chǎn)品2的功耗導致表面溫度升高18.9?C，導致在相同工作條件下產(chǎn)生更多的柵極驅動器發(fā)熱。這表明，在選擇柵極驅動器時，由于內阻較低而導致的熱能力非常重要。在較高的環(huán)境溫度下工作時，這種溫度升高很重要。表2包含測試結果的表格。

結論

由于源電流和灌電流額定值的報告明顯不同，因此粗略瀏覽數(shù)據(jù)手冊標題后，對不同器件的驅動強度形成意見可能會產(chǎn)生誤導。峰值電流定義缺乏透明度可能會超賣或低估器件，并極大地影響其在客戶端進行全面評估之前被選中用于特定應用的機會。確保以同類方式比較數(shù)據(jù)手冊中提到的峰值電流對于公平比較至關重要。熱裕量和低R的重要性DS（ON）在評估隔離式柵極驅動器時應考慮這一點。雖然兩個柵極驅動器可能能夠調諧到相同的上升和下降值，但選擇R較低的驅動器DS（ON）允許更大的熱裕量和更高的開關速度靈活性。

審核編輯：郭婷