【導(dǎo)讀】本文主要闡述了在驅(qū)動芯片中表征驅(qū)動能力的關(guān)鍵參數(shù):驅(qū)動電流和驅(qū)動時間的關(guān)系,并通過實驗解釋了如何正確理解這些參數(shù)在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)。
概述
驅(qū)動芯片
功率器件如MOSFET、IGBT需要驅(qū)動電路的配合從而得以正常地工作。圖1顯示了一個驅(qū)動芯片驅(qū)動一個功率MOSFET的電路。當(dāng)M1開通,M2關(guān)掉的時候,電源VCC通過M1和Rg給Cgs,Cgd充電,從而使MOSFET開通,其充電簡化電路見圖2。當(dāng)M1關(guān)斷,M2開通的時候,Cgs通過Rg和M2放電,從而使MOSFET關(guān)斷,其放電簡化電路見圖3。
圖 1. 功率器件驅(qū)動電路
圖 2. 開通時的簡化電路及充電電流
圖 3. 關(guān)斷時的簡化電路及放電電流
驅(qū)動電路的驅(qū)動能力影響功率器件的開關(guān)速度,進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的效率、電磁干擾等性能。驅(qū)動能力太強會導(dǎo)致器件應(yīng)力過高、電磁干擾嚴(yán)重等問題; 而驅(qū)動能力太弱會導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。因此,選擇一個適當(dāng)驅(qū)動能力的芯片來驅(qū)動功率器件就顯得至關(guān)重要。
衡量驅(qū)動能力的主要指標(biāo)
驅(qū)動電流和驅(qū)動速度
衡量一個驅(qū)動芯片驅(qū)動能力的指標(biāo)主要有兩項:驅(qū)動電流和驅(qū)動的上升、下降時間。這兩項參數(shù)在一般驅(qū)動芯片規(guī)格書中都有標(biāo)注。而在實際應(yīng)用中,工程師往往只關(guān)注驅(qū)動電流而忽視上升、下降時間這一參數(shù)。事實上,驅(qū)動的上升、下降時間這個指標(biāo)也同樣重要,有時甚至比驅(qū)動電流這個指標(biāo)還重要。因為驅(qū)動的上升、下降時間直接影響了功率器件的開通、關(guān)斷速度。
圖 4. MOSFET開通時驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流
圖4顯示了一個MOSFET開通時門極驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流的簡化時序圖。t1到t2這段時間是門極驅(qū)動的源電流(IO+)從零開始到峰值電流的建立時間。在t3時刻,門極電壓達(dá)到米勒平臺,源電流開始給MOSFET的米勒電容充電。在t4時刻,米勒電容充電完成,源電流繼續(xù)給MOSFET的輸入電容充電,門極電壓上升直到達(dá)到門極驅(qū)動的電源電壓VCC。同時在t4到t5這個期間,源電流也從峰值電流降到零。
這里有一個很重要的階段:t1到t2的源電流的建立時間。不同的驅(qū)動芯片有不同的電流建立時間,這一建立時間會影響驅(qū)動的速度。
測試對比
以下通過實測兩款芯片SLM2184S和IR2184S的性能來說明驅(qū)動電流建立時間對驅(qū)動速度的影響。
表格1對比了SLM2184S和IR2184S的各項測試。雖然SLM2184S的峰值源電流[IO+]和峰值灌電流[IO-]比IR2184S的測試值偏小,但是SLM2184S的電流建立時間遠(yuǎn)比IR2184S的建立時間更短。
表格1:SLM2184S 和IR2184S驅(qū)動電流和驅(qū)動時間對比
因此,在負(fù)載電容(比如MOSFET的輸入電容)較小的時候,SLM2184S的驅(qū)動速度并不比IR2184S的驅(qū)動速度慢。如在1nF的負(fù)載電容下,兩者的驅(qū)動速度基本一致。只有當(dāng)負(fù)載電容較大的時候,如在3.3nF的情況下,SLM2184S的驅(qū)動速度才會比IR2184S慢。
實測
SLM2184S vs IR2184S 驅(qū)動測試對比
? 圖5~圖16: 實測SLM2184S的驅(qū)動電流和驅(qū)動時間的波形。
? 圖17~圖28: 實測IR2184S的驅(qū)動電流和驅(qū)動時間的波形。
SLM2184S驅(qū)動測試
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動源電流
圖5:SLM2184S的驅(qū)動源電流
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動源電流
圖6:SLM2184S的驅(qū)動源電流上升速度
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動灌電流
圖7:SLM2184S的驅(qū)動灌電流
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動灌電流
圖8:SLM2184S的驅(qū)動灌電流上升速度
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動源電流
圖9:SLM2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容1nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖10:SLM2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容1nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動灌電流
圖11:SLM2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容1nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖12:SLM2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容1nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖13:SLM2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容2.2nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖14:SLM2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容3.3nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖15:SLM2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容2.2nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖16:SLM2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容3.3nF
IR2184S驅(qū)動測試
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動源電流
圖17:IR2184S的驅(qū)動源電流
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸人; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動源電流
圖18:IR2184S的驅(qū)動源電流上升速度
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動灌電流
圖19:IR2184S的驅(qū)動灌電流
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動灌電流
圖20:IR2184S的驅(qū)動灌電流上升速度
負(fù)載電容100nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動源電流
圖21:IR2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容1nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖22:IR2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容1nF
CH1: 驅(qū)動輸入; CH2: 驅(qū)動輸出; CH4: 驅(qū)動灌電流
圖23:IR2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容1nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖24:IR2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容1nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖25:IR2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容2.2nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖26:IR2184S的驅(qū)動上升速度
負(fù)載電容3.3nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖27:IR2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容2.2nF
CH2: 驅(qū)動輸出
圖28:IR2184S的驅(qū)動下降速度
負(fù)載電容3.3nF
測試總結(jié)
從以上實驗測試可以看到,驅(qū)動芯片的驅(qū)動速度不僅取決于驅(qū)動電流的大小,還受到諸如驅(qū)動電流建立時間、MOSFET的輸入電容等因素的影響。有些驅(qū)動芯片的驅(qū)動電流雖然比較大,但由于它的電流上升和下降速度很慢,并沒有很好地發(fā)揮大驅(qū)動電流的作用,甚至在大部分應(yīng)用場合下驅(qū)動速度(tr和tf)不如驅(qū)動電流小的驅(qū)動芯片。因此,在選擇驅(qū)動芯片的時候,不僅要關(guān)注驅(qū)動電流的大小,也要關(guān)注在一定負(fù)載電容下的上升、下降時間。當(dāng)然最為妥當(dāng)?shù)霓k法是根據(jù)實際選擇的功率管測量驅(qū)動端的波形,從而判斷是否選擇了合適的驅(qū)動芯片。
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