作者：Ryan SchnellandSanket Sapre

在考慮將哪種柵極驅(qū)動(dòng)器用于應(yīng)用時(shí)，一個(gè)常見問題是：驅(qū)動(dòng)器可以提供的峰值電流是多少？峰值電流是柵極驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊中最重要的參數(shù)之一。該指標(biāo)通常被視為柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的全部和最終指標(biāo)。打開和關(guān)閉MOSFET/IGBT的時(shí)間與柵極驅(qū)動(dòng)器可以提供的電流有關(guān)，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(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)手冊的標(biāo)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(yīng)用選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，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(biāo)題中峰值電流數(shù)值相似的柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了比較，并討論了柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

示例應(yīng)用程序

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供電平轉(zhuǎn)換、隔離和柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以便操作功率器件。這些柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離特性允許高側(cè)和低側(cè)器件驅(qū)動(dòng)，并且能夠在使用合適的器件時(shí)提供安全柵。示例應(yīng)用程序如圖 1 所示。VDD1和 V電子數(shù)據(jù)分析位于單獨(dú)的接地基準(zhǔn)上，并且每個(gè)基準(zhǔn)的電壓可能不同。在本文中，引腳 1 到引腳 3 將稱為初級側(cè)，引腳 4 到引腳 6 將稱為次級側(cè)。柵極驅(qū)動(dòng)器提供的隔離很容易達(dá)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(qū)動(dòng)器必須能夠再現(xiàn)初級側(cè)的時(shí)序，并足夠快地驅(qū)動(dòng)功率器件的柵極，以便開關(guān)轉(zhuǎn)換是可以接受的。更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換可以降低開關(guān)損耗，因此快速切換的能力通常是一個(gè)搶手的特性。作為一般規(guī)則，在一種類型的開關(guān)技術(shù)中，功率器件可以處理的功率越大，它給柵極驅(qū)動(dòng)器帶來的負(fù)載就越大。

圖1.

ADuM4120

的典型應(yīng)用

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器通常用于半橋配置，如圖2所示。高端驅(qū)動(dòng)器必須能夠在系統(tǒng)地和V之間擺動(dòng)總線電壓，同時(shí)為其驅(qū)動(dòng)的功率器件提供必要的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。

圖2.典型的半橋應(yīng)用。

負(fù)載注意事項(xiàng)

對MOSFET/IGBT的柵極進(jìn)行充電或放電所需的時(shí)間決定了器件的開關(guān)速度。在實(shí)際使用中，增加了一個(gè)外部串聯(lián)柵極電阻，以調(diào)節(jié)柵極電壓上升/下降時(shí)間，并與柵極驅(qū)動(dòng)器IC共享功耗。通過將功率器件建模為電容器，并將柵極驅(qū)動(dòng)器與MOSFET輸出級通過外部串聯(lián)柵極電阻進(jìn)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(nèi)線），灌電流峰值電流為IPK_SNK= VDD/（RDS（打開）_N( 1內(nèi)線).對于短路峰值電流測量，R內(nèi)線設(shè)置為 0 Ω，但在應(yīng)用中，存在一個(gè)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(qū)動(dòng)器NMOS的導(dǎo)通電阻。

RDS（ON）_P是柵極驅(qū)動(dòng)器PMOS的導(dǎo)通電阻。

R內(nèi)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(biāo)題中的歧義

峰值電流的預(yù)期用途是以簡潔的方式創(chuàng)建柵極驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器脈沖短路到非常短的持續(xù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的。很少有數(shù)據(jù)手冊明確顯示輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)際應(yīng)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(biāo)注出最大飽和值，有些數(shù)據(jù)手冊會標(biāo)注最小飽和值。描述驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(dāng)調(diào)整外部串聯(lián)柵極電阻的尺寸，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出FET不會在整個(gè)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(qū)動(dòng)器的峰值電流規(guī)格通過設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)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(guān)的最開始時(shí)。

圖4.輸出驅(qū)動(dòng)器FET的I-V曲線示例。

盡管溫度和工藝變化范圍內(nèi)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(qū)動(dòng)器制造商提供了輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用使用情況。當(dāng)查看包含外部串聯(lián)電阻的I-V曲線時(shí)，電壓軸通常指定在次級側(cè)電壓中，這意味著繪制的電壓為VDD2內(nèi)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(biāo)題中提到了2 A驅(qū)動(dòng)能力，但典型飽和電流超過7 A。這是因?yàn)樵撎囟〝?shù)據(jù)手冊在標(biāo)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(shí)際應(yīng)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(cuò)過關(guān)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(fù)載，但由于動(dòng)態(tài)柵極-漏極電容，存在非線性，這導(dǎo)致米勒平臺區(qū)域，電容在導(dǎo)通（圖6）和關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間發(fā)生變化。在此米勒平臺區(qū)間內(nèi)，最需要柵極電容的充電電流。峰值電流數(shù)此時(shí)不考慮當(dāng)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(jìn)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(gè)開關(guān)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(qū)動(dòng)器的柵極開關(guān)動(dòng)作消耗的功率為：

哪里：

P迪斯是在一個(gè)周期內(nèi)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(guān)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(gè)更準(zhǔn)確的數(shù)字。還應(yīng)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?yàn)檫@僅與開關(guān)動(dòng)作中消耗的總功率有關(guān)，而與柵極驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)的功耗無關(guān)。

由于隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離特性，標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(qū)動(dòng)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(dǎo)致將功耗轉(zhuǎn)移到隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器封裝之外以允許在給定工作點(diǎn)實(shí)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(qū)動(dòng)器添加散熱片，所用封裝的熱阻大致與引腳數(shù)、內(nèi)部金屬化、引線框架連接和封裝尺寸有關(guān)。對于給定的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器部件號，在比較可用器件時(shí)，封裝尺寸、引腳數(shù)和引腳排列通常相同，導(dǎo)致競爭器件之間的θ-JA編號大致相同。

柵極驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)的散熱是導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)溫升高的原因。公式1中計(jì)算的功耗是功率器件柵極上下的總功耗。柵極驅(qū)動(dòng)器IC內(nèi)的功耗在輸出驅(qū)動(dòng)FET的內(nèi)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(nèi)線.如果柵極驅(qū)動(dòng)器主要在線性區(qū)域工作，則柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器IC從功率器件開關(guān)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(dǎo)致隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)發(fā)生的功耗比例較小。如果要滿足所需的上升/下降時(shí)間，則應(yīng)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(nèi)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(yīng)用中使用兩個(gè)競爭驅(qū)動(dòng)器具有相同的上升和下降速度，則具有較低R的驅(qū)動(dòng)器DS（ON）允許更大的外部串聯(lián)柵極電阻，同時(shí)保持總串聯(lián)電阻相同，這意味著柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器中，選擇了三個(gè)標(biāo)題中提到的具有4 A的隔離式半橋驅(qū)動(dòng)器。所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)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(gè)部分。ADuM4221評估板用作測試平臺，用于比較ADuM4221和兩個(gè)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(jié)了每種數(shù)據(jù)手冊的要求。

如果嚴(yán)格比較數(shù)據(jù)手冊中的值，則競爭對手2應(yīng)該提供最強(qiáng)的柵極驅(qū)動(dòng)，因此在給定負(fù)載下具有最快的上升和下降時(shí)間。為了簡化分析，負(fù)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(qū)動(dòng)器的一個(gè)輸出。

對于第一個(gè)測試條件，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過0.5 Ω外部串聯(lián)柵極電阻加載一個(gè)100 nF電容，配置如圖3所示。在驅(qū)動(dòng)器上執(zhí)行單次導(dǎo)通和關(guān)閉，以保持驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的功耗較低。該測試與峰值短路測試非常相似。結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8.開啟測試。100 nF，0.5 Ω R內(nèi)線.（a） 電壓與時(shí)間的關(guān)系。（b） 當(dāng)前與時(shí)間。

圖9.關(guān)閉測試。100 nF，0.5 Ω R內(nèi)線.（a） 電壓與時(shí)間的關(guān)系。（b） 當(dāng)前與時(shí)間。

圖8顯示，不同驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器具有最慢的上升時(shí)間。電流波形顯示，驅(qū)動(dòng)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(shí)間是電流積分的函數(shù)。查看圖 9 所示的下降時(shí)間，所有三個(gè)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(gè)器件在關(guān)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(shí)，數(shù)據(jù)手冊中的器件性能更強(qiáng)，其驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度低于其他器件。

第二個(gè)測試條件是調(diào)整所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器，使上升和下降時(shí)間相似，然后以恒定的開關(guān)頻率操作器件以評估熱性能。如圖8所示，ADuM4221的上升時(shí)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(qū)動(dòng)器的上升時(shí)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(shí)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(dǎo)通。ADuM4221的關(guān)斷電阻調(diào)諧至0.97 Ω。輸入和輸出波形如圖10所示。

圖 10.調(diào)整了所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dāng)上升和下降時(shí)間調(diào)諧為等效時(shí)，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(guān)損耗在應(yīng)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(qū)動(dòng)器之外共享更多的熱負(fù)載。圖11、圖12和圖13顯示了三個(gè)驅(qū)動(dòng)器在相同環(huán)境溫度下工作、開關(guān)頻率為100 kHz、次級側(cè)電壓為15 V和負(fù)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(biāo)線是隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出區(qū)域。每個(gè)器件右側(cè)的亮點(diǎn)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(gè)熱圖像更熱。這是預(yù)期的操作，是可取的。所有三項(xiàng)測試均在相同的開關(guān)頻率和相同的負(fù)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(qū)動(dòng)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(dǎo)致表面溫度升高18.9?C，導(dǎo)致在相同工作條件下產(chǎn)生更多的柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱。這表明，在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，由于內(nèi)阻較低而導(dǎo)致的熱能力非常重要。在較高的環(huán)境溫度下工作時(shí)，這種溫度升高很重要。表2包含測試結(jié)果的表格。

結(jié)論

由于源電流和灌電流額定值的報(bào)告明顯不同，因此粗略瀏覽數(shù)據(jù)手冊標(biāo)題后，對不同器件的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度形成意見可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。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(jìn)行全面評估之前被選中用于特定應(yīng)用的機(jī)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(guān)重要。熱裕量和低R的重要性DS（ON）在評估隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)考慮這一點(diǎn)。雖然兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器可能能夠調(diào)諧到相同的上升和下降值，但選擇R較低的驅(qū)動(dòng)器DS（ON）允許更大的熱裕量和更高的開關(guān)速度靈活性。

審核編輯：郭婷