應用示例

 

隔離式柵極驅動器提供電平轉換
、隔離和柵極驅動強度

，從而操作功率器件。這些柵極驅動器的隔離特性支持高端和低端器件驅動

；如果使用合適的器件，它還能提供安全柵。應用實例如圖1所示。V_DD1和V_DD2有單獨的地基準，並且各自的電壓可能不同。在本文中，引腳1至引腳3被稱為原邊，引腳4到引腳6被稱為副邊。柵極驅動器提供的隔離很容易達到數百伏，因而可以支持較高的係統總線電壓。

 

合(he)適(shi)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)再(zai)現(xian)原(yuan)邊(bian)上(shang)存(cun)在(zai)的(de)時(shi)序(xu)，並(bing)以(yi)足(zu)夠(gou)快(kuai)的(de)速(su)度(du)驅(qu)動(dong)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)柵(zha)極(ji)
，以(yi)使(shi)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)要(yao)求(qiu)。較(jiao)快(kuai)的(de)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)，因(yin)此(ci)快(kuai)速(su)開(kai)關(guan)的(de)能(neng)力(li)常(chang)常(chang)是(shi)人(ren)們(men)所(suo)追(zhui)求(qiu)的(de)特(te)性(xing)。通(tong)常(chang)，對(dui)於(yu)一(yi)類(lei)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)，功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)處(chu)理(li)的(de)功(gong)率(lv)越(yue)大(da)
，它(ta)給(gei)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)帶(dai)來(lai)的(de)負(fu)載(zai)就(jiu)越(yue)大(da)。

 

圖1.ADuM4120的典型應用。

 

隔離式柵極驅動器常常用於半橋配置，如圖2所示。高端驅動器必須能夠在係統地和V_BUS電壓之間擺動，同時為其驅動的功率器件提供必要的驅動強度。

 

圖2.典型半橋應用。

 

負載考慮

 

MOSFET/IGBT的柵極充電或放電所需的時間決定了器件的開關速度。實際使用中會增加一個外部串聯柵極電阻

，以便調節柵極電壓的上升/下降時間，並可以限製柵極驅動器IC的功耗。將功率器件建模為一個電容和帶MOSFET輸出級的柵極驅動器

，並通過外部串聯柵極電阻運行，我們便得到圖3所示的RC電路。在此簡化模型中，峰值拉電流方程為I_{PK_SRC} = V_DD/(R_{DS(ON)_P} + R_EXT)，峰值灌電流方程為I_{PK_SNK} = V_DD/(R_{DS(ON)_N} + R_EXT)。對於短路峰值電流測量
， R_EXT設置為0Ω
，但在應用中，存在一個外部串聯電阻。

 

圖3.柵極充放電的簡化RC模型。

 

其中：

 

R_{DS(ON)_N} 為柵極驅動器NMOS的導通電阻。

 

R_{DS(ON)_P} 為柵極驅動器PMOS的導通電阻。

 

R_EXT為外部串聯柵極電阻。

 

C_{GATE_EQUIV} 為功率器件的等效電容。

 

數據手冊標題中的一語多義

 

峰值電流的本來作用是簡明地比較柵極驅動強度
，但不同廠商的數值不同。圖4顯示了I-V曲線表示，以及柵極驅動器製造商用來給出峰值電流值的一些常見電平。特定MOSFET的I-V曲線的飽和水平在整個矽工藝和溫度範圍內變化很大


，變化幅度常常是典型值的±2倍。

 

在(zai)許(xu)多(duo)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)，數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)特(te)別(bie)提(ti)到(dao)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)是(shi)典(dian)型(xing)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)，其(qi)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)輸(shu)出(chu)短(duan)路(lu)至(zhi)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)容(rong)
，或(huo)通(tong)過(guo)脈(mai)衝(chong)讓(rang)驅(qu)動(dong)器(qi)在(zai)非(fei)常(chang)短(duan)的(de)時(shi)間(jian)短(duan)路(lu)。很(hen)少(shao)有(you)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)清(qing)楚(chu)地(di)表(biao)明(ming)輸(shu)出(chu)驅(qu)動(dong)器(qi)在(zai)整(zheng)個(ge)溫(wen)度(du)和(he)工(gong)藝(yi)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)最(zui)小(xiao)和(he)最(zui)大(da)IVquxian
，danruguoshiyongdianxingbaoheshuzhizuoweifengzhidianliuzhi，nameyouxieqijianjiangwufazaishijiyingyongzhongtigonghuoxishounameduodianliu。youxieshujushoucegeichuzuidabaohezhi，youxiezegeichuzuixiaobaohezhi。miaoshuqudongqikeyongfengzhidianliudelingyizhongfangfashimiaoshuzuidiI-V曲qu線xian的de線xian性xing區qu域yu中zhong的de最zui高gao電dian流liu或huo最zui小xiao線xian性xing電dian流liu。明ming確que該gai數shu值zhi後hou，用yong戶hu便bian知zhi道dao所suo有you器qi件jian在zai應ying用yong中zhong都dou能neng提ti供gong或huo吸xi收shou比bi該gai額e定ding值zhi更geng多duo的de電dian流liu。此ci值zhi是shi保bao守shou值zhi，但dan用yong戶hu可ke以yi得de知zhi，通tong過guo適shi當dang選xuan擇ze外wai部bu串chuan聯lian柵zha極ji電dian阻zu的de大da小xiao，柵zha極ji驅qu動dong器qi輸shu出chuFET將不會因溫度和工藝變化而處於飽和區域。

 

峰值電流的生產測試通常非常困難，因為測試環境中接觸器的電流受限。隔離式柵極驅動器的峰值電流規格通過設計和/或huo特te性xing來lai保bao證zheng並bing不bu罕han見jian。不bu同tong製zhi造zao商shang可ke能neng會hui也ye可ke能neng不bu會hui提ti及ji峰feng值zhi電dian流liu的de最zui小xiao值zhi或huo最zui大da值zhi。因yin此ci
，對dui於yu使shi用yong峰feng值zhi電dian流liu的de哪na種zhong表biao示shi方fang式shi來lai比bi較jiao不bu同tong器qi件jian並bing沒mei有you達da成cheng共gong識shi。重zhong要yao的de是shi應ying注zhu意yi，峰feng值zhi電dian流liu不bu是shi恒heng定ding電dian流liu或huo平ping均jun電dian流liu。如ru果guo柵zha極ji驅qu動dong器qi輸shu出chu在zai輸shu出chuFET的線性區域中正常運行，則峰值電流僅在切換剛開始時存在。

 

圖4.輸出驅動器FET的I-V曲線示例。

 

雖(sui)然(ran)整(zheng)個(ge)溫(wen)度(du)和(he)工(gong)藝(yi)變(bian)化(hua)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)完(wan)整(zheng)最(zui)小(xiao)和(he)最(zui)大(da)飽(bao)和(he)曲(qu)線(xian)幾(ji)乎(hu)永(yong)遠(yuan)不(bu)會(hui)進(jin)入(ru)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)
，但(dan)一(yi)些(xie)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)製(zhi)造(zao)商(shang)會(hui)提(ti)供(gong)輸(shu)出(chu)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)典(dian)型(xing)I-V曲線。這可以表示為短路I-V曲線
，或采用外部串聯柵極電阻來表示，以便更好地模擬實際應用。查看包含外部串聯電阻的IV曲線時，電壓軸通常在副邊電壓中指定，這意味著繪製的電壓是內部R_DS(ON)和外部串聯柵極電阻上共享的V_DD2電壓。

 

圖5顯示了數據手冊中給出的 ADuM4121 典型I-V曲線。應當注意的是，ADuM4121在數據手冊標題中提到了2 A的驅動能力
，但其典型飽和電流超過7A。這是因為該數據手冊的標題使用了峰值電流的保守定義
，告訴用戶該器件絕對可以在所有溫度和工藝變化下提供2 A電流。該I-V曲線也是采用2Ω外(wai)部(bu)串(chuan)聯(lian)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)來(lai)模(mo)擬(ni)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)性(xing)能(neng)。重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)確(que)保(bao)用(yong)戶(hu)在(zai)對(dui)比(bi)不(bu)同(tong)產(chan)品(pin)時(shi)
，每(mei)個(ge)產(chan)品(pin)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)定(ding)義(yi)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)，否(fou)則(ze)比(bi)對(dui)時(shi)可(ke)能(neng)會(hui)遺(yi)漏(lou)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。

 

圖5.ADuM4121數據手冊I-V曲線。

 

米勒電容

 

MOSFET或IGBT雖然大致表現為容性負載
，但存在非線性
，原因是動態柵極-漏極電容，由此產生米勒平坦區——在該區域中，電容在導通（圖6）heguanduanguoduqijianhuifashengbianhua。zaigaimilepingtanqujiangeqijian
，zhajidianrongxuyaozuiduodechongdiandianliu。fengzhidianliushuzhiweikaolvcishidedianliuzhi。danshi，jiaogaodefengzhidianliuyiweizhemilepingtanquzhongdedianliutongchanghuigengda。

 

圖6.IGBT的導通轉換，顯示出米勒平坦區。

 

功耗：一個主要考慮因素

 

In order to charge and discharge the gate of a power device, energy must be expended. If the equivalent capacitance model is used, and full charging and discharging of the gate occurs each switching cycle, the power dissipated by the gate switching action for both isolated and nonisolated gate drivers is:

 

 

其中：

 

P_DISS 為一個柵極切換周期中消耗的功率。

 

C_EQ為等效柵極電容。

 

V_DD2 為功率器件柵極的總電壓擺幅。

 

Q_{G_TOT} 為功率器件的總柵極電荷。

 

f_S為係統的開關頻率。

 

重要的是應注意，等效柵極電容C_EQ與功率器件數據手冊中的C_ISS不是一回事。它常常比C_ISS大3到5倍，而總柵極電荷Q_{G_TOT}是(shi)一(yi)個(ge)更(geng)準(zhun)確(que)的(de)數(shu)值(zhi)
，可(ke)供(gong)使(shi)用(yong)。還(hai)應(ying)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，該(gai)方(fang)程(cheng)式(shi)中(zhong)未(wei)出(chu)現(xian)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)的(de)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu)，原(yuan)因(yin)是(shi)它(ta)僅(jin)與(yu)開(kai)關(guan)動(dong)作(zuo)的(de)總(zong)功(gong)耗(hao)有(you)關(guan)，而(er)與(yu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)IC內部的功耗無關。

 

youyugelishizhajiqudongqidegelitexing，biaozhunyaoqiubutongdegeliqutongguozugoudepadianjulihedianqijianxijulifenkai。padianjulihedianqijianxijuliyaojianquyuanbiandaofubianquyulujingzhongderenhedianliudaoti
，yinci
，henshaokandaogelishizhajiqudongqishiyongluoluhanpanhuosanrekuai。zheyiweizhewufashiyongyizhongzhuyaodebangzhujiangdijichengdianlurezudefangfa，daozhijianggonghaozhuanyidaogelishizhajiqudongqifengzhuangzhiwai（使得在給定工作點時環境工作溫度可以更高）的重要性更高。

 

由於無法給隔離式柵極驅動器添加散熱塊
，因此所用封裝的熱阻大致與引腳數
、內部金屬化、引線框架連接和封裝尺寸相關。對於給定產品型號的隔離式柵極驅動器
，當比較不同可用器件時
，封裝尺寸


、引腳數和引腳排列通常相同
，所以不同器件的θJA數值大致相同。

 

柵極驅動器IC內的熱耗散是導致內部結溫升高的原因。式1中計算出的功耗是功率器件柵極接通和關斷的總功耗。柵極驅動器IC內的功耗在輸出驅動FET的內部電阻R_{DS(ON)_N}和R_{DS(ON)_P}與外部串聯柵極電阻R_EXT之間分配。如果柵極驅動器大部分時候在線性區域工作，則柵極驅動器IC經曆的功耗比為：

 

 

如果R_{DS(ON)_N} = R_{DS(ON)_P} = R_DS(ON)
，式2可簡化為：

 

 

因此
，柵極驅動器IC從功率器件切換中獲得的總功率等於式1乘以式3：

 

 

從式4可以看出，R_DS(ON)越小，隔離式柵極驅動器的功耗部分也越小。如果要滿足所需的上升/下降時間，則應保留用於功率器件柵極充放電的RC常數。RC常數中的電阻是內部R_DS(ON)和外部串聯柵極電阻的串聯組合。換句話說，如果應用中使用的兩個競爭驅動器具有相同的上升和下降速度，則R_DS(ON)較低的驅動器可以使用更大的外部串聯柵極電阻，而總串聯電阻保持不變，意味著柵極驅動器IC本身的功耗更低。

 

比較案例研究

 

為了說明不同產品的峰值電流定義有何差異
，並展示隔離式柵極驅動器中較低R_DS(ON)的好處，我們選擇了三款隔離式半橋驅動器，其手冊中均提到了4A峰值電流。所有三個驅動器的爬電距離、電氣間隙、引腳排列和焊盤圖形都相似。因此，可以使用相同布局來測試所有三個器件。使用ADuM4221 評估板作為測試平台來比較ADuM4221和另外兩個器件，分別稱為競爭產品1和競爭產品2。評估板如圖7所示。

 

圖7.ADuM4221評估板。

 

表1總結了每種器件的數據手冊聲稱的數值。

 

表1.數據手冊聲稱值比較

 

如果嚴格比較數據手冊中顯示的值
，競爭產品2提ti供gong的de柵zha極ji驅qu動dong看kan起qi來lai最zui強qiang，因yin此ci對dui於yu給gei定ding負fu載zai
，其qi上shang升sheng和he下xia降jiang時shi間jian最zui快kuai。為wei簡jian化hua分fen析xi，負fu載zai使shi用yong分fen立li陶tao瓷ci電dian容rong，故gu波bo形xing中zhong不bu存cun在zai米mi勒le平ping坦tan區qu。此ci外wai
，僅jin使shi用yong雙shuang通tong道dao輸shu出chu驅qu動dong器qi的de一yi路lu輸shu出chu。

 

對於第一個測試條件
，每個驅動器的負載為100 nF電容和0.5Ω外部串聯柵極電阻，配置如圖3所示。在驅動器上執行一次導通和關斷操作，以使驅動器內部的功耗保持較低。該測試非常類似於峰值短路測試。結果如圖8和圖9所示。

 

圖8.導通測試。100 nF和0.5Ω R_EXT。(a) 電壓與時間的關係。(b) 電流與時間的關係。

 

圖9.關斷測試。100 nF和0.5Ω R_EXT。(a) 電壓與時間的關係。(b) 電流與時間的關係。

 

圖8表biao明ming，不bu同tong驅qu動dong器qi的de導dao通tong速su度du存cun在zai很hen大da差cha異yi。令ling人ren驚jing訝ya的de是shi，市shi場chang上shang峰feng值zhi電dian流liu最zui高gao的de驅qu動dong器qi的de上shang升sheng時shi間jian最zui慢man。電dian流liu波bo形xing表biao明ming
，所suo有you驅qu動dong器qi的de輸shu出chu都dou超chao過guo了le標biao定ding的de電dian流liu值zhi

，但dan競jing爭zheng產chan品pin2不能維持高電流。總上升時間是電流積分的函數。檢查圖9所示的下降時間，所有三個器件的表現旗鼓相當。盡管各產品的峰值電流相似，但競爭產品2的de持chi續xu電dian流liu最zui低di。總zong體ti而er言yan，三san個ge器qi件jian在zai關guan斷duan測ce試shi中zhong表biao現xian相xiang似si。從cong該gai測ce試shi可ke以yi看kan到dao
，數shu據ju手shou冊ce中zhong的de峰feng值zhi電dian流liu數shu值zhi更geng強qiang的de器qi件jian
，其qi表biao現xian出chu的de驅qu動dong強qiang度du低di於yu其qi他ta器qi件jian。

 

第二個測試條件是調整所有三個驅動器，使其上升和下降時間相似，然後以恒定的開關頻率操作這些器件以評估熱性能。如圖8所示
，ADuM4221的上升時間最快
，可以使用較大的外部串聯柵極電阻以與其他驅動器的上升時間一致。結果發現
，針對導通情況

，與競爭產品1的0.91Ω和競爭產品2的0.97Ω外部串聯柵極電阻相比，1.87Ω外部串聯柵極電阻可以使ADuM4221具有相似的上升和下降時間。ADuM4221的關斷電阻調整至0.97Ω。輸入和輸出波形如圖10所示。

 

圖10.所有三個驅動器調整後的上升/下降曲線。通道1 = 輸入，通道2 = ADuM4221，通道3 = 競爭產品1，通道4 = 競爭產品2。

 

jiangshangshengshijianhexiajiangshijiantiaozhixiangdengshi，dianliuboxingdejifenshikeyibijiaode，gonglvqijianzhongdekaiguansunhaozaiyingyongzhongyeshikeyibijiaode。tongguoshiyongjiaodadewaibuchuanlianzhajidianzu，gelishizhajiqudongqiwaibukeyichengdangengduoderefuzai。tu11、圖12和圖13顯示了三個驅動器在相同環境溫度下工作時的熱分布圖
，開關頻率為100 kHz，副邊電壓為15 V，負載電容為100 nF。

 

圖11.ADuM4221熱分布圖。

 

圖12.競爭產品1的熱分布圖。

 

圖13.競爭產品2的熱分布圖。

 

熱像儀的十字線是隔離式柵極驅動器的輸出區域。每個驅動器右側的亮點是外部串聯柵極電阻。圖11中(zhong)的(de)外(wai)部(bu)串(chuan)聯(lian)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)比(bi)另(ling)外(wai)兩(liang)個(ge)熱(re)分(fen)布(bu)圖(tu)中(zhong)的(de)電(dian)阻(zu)更(geng)熱(re)。這(zhe)是(shi)符(fu)合(he)預(yu)期(qi)和(he)需(xu)要(yao)的(de)情(qing)況(kuang)。所(suo)有(you)三(san)個(ge)測(ce)試(shi)均(jun)以(yi)相(xiang)同(tong)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)和(he)相(xiang)同(tong)負(fu)載(zai)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)，因(yin)此(ci)總(zong)功(gong)耗(hao)相(xiang)同(tong)。外(wai)部(bu)電(dian)阻(zu)的(de)功(gong)耗(hao)越(yue)多(duo)，柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)IC本身的功耗就越少。

 

競爭產品1的IC表麵溫度比ADuM4221高35.3°C，這是因為較高R_DS(ON)對競爭產品有熱限製。類似地，競爭產品2的功耗導致其表麵溫度比ADuM4221高18.9°C
，因(yin)而(er)在(zai)相(xiang)同(tong)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)其(qi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)更(geng)熱(re)。這(zhe)表(biao)明(ming)，在(zai)選(xuan)擇(ze)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)時(shi)，較(jiao)低(di)內(nei)部(bu)電(dian)阻(zu)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)是(shi)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。在(zai)較(jiao)高(gao)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)
，這(zhe)種(zhong)溫(wen)度(du)升(sheng)高(gao)很(hen)重(zhong)要(yao)。表(biao)2列出了測試結果。

 

表2.熱性能比較：溫度越低越好

 

結論

 

廠chang商shang報bao告gao的de拉la電dian流liu和he灌guan電dian流liu額e定ding值zhi差cha異yi懸xuan殊shu，粗cu略lve瀏liu覽lan數shu據ju手shou冊ce標biao題ti便bian形xing成cheng對dui不bu同tong器qi件jian驅qu動dong強qiang度du的de看kan法fa可ke能neng會hui產chan生sheng誤wu導dao。峰feng值zhi電dian流liu定ding義yi缺que乏fa透tou明ming度du可ke能neng導dao致zhi器qi件jian銷xiao售shou過guo多duo或huo不bu足zu，並bing極ji大da地di影ying響xiang其qi在zai客ke戶hu進jin行xing全quan麵mian評ping估gu之zhi前qian被bei特te定ding應ying用yong選xuan中zhong的de機ji會hui。為wei了le進jin行xing公gong平ping的de比bi較jiao
，須xu確que保bao數shu據ju手shou冊ce中zhong提ti到dao的de峰feng值zhi電dian流liu具ju有you可ke比bi性xing。當dang評ping估gu隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi時shi，應ying考kao慮lv熱re裕yu量liang和he低diR_DS(ON)的重要性。盡管可以將兩個柵極驅動器的上升和下降值調整為相同

，但選擇R_DS(ON)較低的驅動器可以提供更大的熱裕量和更靈活的開關速度。

 

 

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