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        怎么理解驅動芯片的驅動電流能力

        發布時間:2022-05-11 來源:鄭姿清,英飛凌 責任編輯:wenwei

        【導讀】使用功率開關器件的工程師們肯定都有選擇驅動芯片的經歷。面對標稱各種電流能力的驅動產品時,往往感覺選擇非常困惑。特別是在成本壓力之下,總希望選擇一個剛好夠用的產品。以下內容或許能給到些啟發。


        首先來看一下這個驅動峰值電流的定義方式。這個很重要,不同公司的產品往往宣傳說法不一樣,所以要參考規格書。以下圖1是英飛凌的1EDI系列產品的電流表。比如1EDI60I12AH,我們常說它是6A的驅動。事實上,這個6A是它的最小值而它的典型值是10A。又比如圖2中的英飛凌新產品1ED3122MU12H,我們稱它為10A的驅動,而這個卻是典型值,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動帶載能力一樣的呢?如果不一樣又有什么差異?


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        圖1

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        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小電阻,因為這個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動芯片VCC和OUT之間的電壓。如果是測試關斷電流能力的話就測量驅動芯片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。這個是驅動芯片本身的電流能力。


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        圖3

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        圖4


        但是實際中,無論是處于EMI的考量還是為了保護續流二極管,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,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動內部的MOS當作一個可變電阻處理,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,比如圖中的電阻是1.5Ω。門極電壓每充1V,斜線就沿橫坐標往左平移1V。把圖4和圖6結合在一起得到了圖7,交點就是實際輸出的峰值電流,由于實際電路中肯定還有寄生電感,會限制到達峰值電流的速度,導致真實電流值更小。對于一般的中小功率而言,1.5Ω的門極電阻算小的了,理想無感的交點在6A。如果門極電阻再大些,交點電流將更低。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時對應的電流值,而是考慮在功率器件標稱電流對應的米勒平臺時的電流能力。如果直接從橫坐標15V的地方找對應的電流甚至大于10A了。


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        圖5

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        圖6

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        圖7


        下面我們再來看看新款的X3產品情況怎么樣。英飛凌X3系列的產品的輸出部分直接采用新一代的單獨的PMOS作為開通輸出級,如圖8所示。而不是像以前的產品那樣使用PMOS與NMOS結合的方式(如圖5)。選擇1ED3122MU12H產品繪制如圖9的電流能力曲線(根據設計參數所得而非實際測量)。按照IGBT標稱電流時的米勒電壓一般為9~10V來看,找到橫坐標5、6V的時候電流能力達到了6A以上。和之前1EDI60I12AF相當,如果用最大電流值標稱的話就是10A了。由此可以看出和以前PMOS/NMOS結合的產品峰值電流差不多。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!這樣實際測的話曲線會和圖7的sink電流類似,我們暫時用它假代PMOS的輸出曲線??梢钥吹郊词乖诿桌针娖綍r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。


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        圖8

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        圖9


        由此可見,單純地給出一個驅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,比如芯片內部末級輸出形式、定義值的點在哪?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,體現在圖7的電阻斜率更小,使得工作點左移,更近原點。如果這時候還看15V的電流能力就變得毫無意義了。而使用獨立的、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,實際可以獲得更高的電流。


        最后,給個工程計算的方法。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,用這個值去選驅動芯片15V時對應的電流大于它的產品就可以了。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,超額電流地使用驅動雖然不能使開關損耗變小,但是可以使驅動芯片的功耗降低,減小發熱。



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