隔离式栅极驱动器的峰值电流

作者：Ryan SchnellandSanket Sapre

在考虑将哪种栅极驱动器用于应用时，一个常见问题是：驱动器可以提供的峰值电流是多少？峰值电流是栅极驱动器数据手册中最重要的参数之一。该指标通常被视为栅极驱动器驱动强度的全部和最终指标。打开和关闭MOSFET/IGBT的时间与栅极驱动器可以提供的电流有关，但并不能说明全部情况。峰值电流一词在业界非常普遍，以至于它被包含在许多栅极驱动器数据手册的标题中。尽管如此，它的定义因部分而异。本文讨论了在为特定应用选择栅极驱动器时，使用峰值电流作为决定因素的问题，并比较了数据手册中一些更常见的峰值电流表示形式。本文对标题中峰值电流数值相似的栅极驱动器进行了比较，并讨论了栅极驱动强度。

示例应用程序

隔离式栅极驱动器提供电平转换、隔离和栅极驱动强度，以便操作功率器件。这些栅极驱动器的隔离特性允许高侧和低侧器件驱动，并且能够在使用合适的器件时提供安全栅。示例应用程序如图 1 所示。VDD1和 V电子数据分析位于单独的接地基准上，并且每个基准的电压可能不同。在本文中，引脚 1 到引脚 3 将称为初级侧，引脚 4 到引脚 6 将称为次级侧。栅极驱动器提供的隔离很容易达到数百伏，从而允许更高的系统总线电压。

合适的隔离式栅极驱动器必须能够再现初级侧的时序，并足够快地驱动功率器件的栅极，以便开关转换是可以接受的。更快的开关转换可以降低开关损耗，因此快速切换的能力通常是一个抢手的特性。作为一般规则，在一种类型的开关技术中，功率器件可以处理的功率越大，它给栅极驱动器带来的负载就越大。

图1.

ADuM4120

的典型应用

隔离式栅极驱动器通常用于半桥配置，如图2所示。高端驱动器必须能够在系统地和V之间摆动总线电压，同时为其驱动的功率器件提供必要的驱动强度。

图2.典型的半桥应用。

负载注意事项

对MOSFET/IGBT的栅极进行充电或放电所需的时间决定了器件的开关速度。在实际使用中，增加了一个外部串联栅极电阻，以调节栅极电压上升/下降时间，并与栅极驱动器IC共享功耗。通过将功率器件建模为电容器，并将栅极驱动器与MOSFET输出级通过外部串联栅极电阻进行建模，我们得到了如图3所示的RC电路。该简化模型中的源峰值电流方程为 IPK_SRC= VDD/（RDS（ON）_P( 1内线），灌电流峰值电流为IPK_SNK= VDD/（RDS（打开）_N( 1内线).对于短路峰值电流测量，R内线设置为 0 Ω，但在应用中，存在一个外部串联电阻。

图3.栅极充电和放电的简化RC模型。

哪里：

RDS（打开）_N是栅极驱动器NMOS的导通电阻。

RDS（ON）_P是栅极驱动器PMOS的导通电阻。

R内线是外部串联栅极电阻。

CGATE_EQUIV是功率器件的等效电容。

数据手册标题中的歧义

峰值电流的预期用途是以简洁的方式创建栅极驱动强度的比较，但该值的表示因零件和制造商而异。图4显示了I-V曲线表示，以及栅极驱动制造商用来给出峰值电流值的一些常见电平。特定MOSFET的I-V曲线的饱和水平随硅工艺和温度变化很大，通常变化为典型值的±2倍。

在许多数据手册中，数据手册中提到的峰值电流是典型的饱和电流，它是通过将输出短路到相对较大的电容，或者通过将驱动器脉冲短路到非常短的持续时间来实现的。很少有数据手册明确显示输出驱动器在温度和工艺变化下的最小和最大I-V曲线，但如果使用典型饱和值作为峰值电流值，则在实际应用中，有些器件无法提供或吸收那么大的电流。有些数据手册会标注出最大饱和值，有些数据手册会标注最小饱和值。描述驱动器中可用峰值电流的另一种方法是描述最低I-V曲线或最小线性电流的线性区域中的最高电流。通过指定此数字，用户可以知道应用程序中的所有部件都能够源出或吸收超过此指定值的源出或吸收。该值是保守的，但用户可以知道，通过适当调整外部串联栅极电阻的尺寸，栅极驱动器输出FET不会在整个温度和工艺变化中处于饱和区域。

峰值电流的生产测试通常非常困难，在测试环境中接触器的电流限制。隔离式栅极驱动器的峰值电流规格通过设计和/或特性来保证的情况并不少见。不同的制造商可能会也可能不会提及峰值电流的最小值或最大值。因此，对于使用哪种峰值电流表示来比较器件之间，尚无一致意见。需要注意的是，峰值电流不是恒定电流或平均电流。如果栅极驱动器输出在输出FET的线性区域中正常工作，则峰值电流仅存在于开关的最开始时。

图4.输出驱动器FET的I-V曲线示例。

尽管温度和工艺变化范围内的完整最小和最大饱和曲线几乎从未写入数据手册，但一些隔离式栅极驱动器制造商提供了输出驱动器的典型I-V曲线。这可以表示为短路I-V曲线，也可以表示为外部串联栅极电阻，以更接近实际应用使用情况。当查看包含外部串联电阻的I-V曲线时，电压轴通常指定在次级侧电压中，这意味着绘制的电压为VDD2内部 R 共享电压DS（ON）和外部串联栅极电阻。

图5显示了数据手册中ADuM4121的典型I-V曲线。需要注意的是，ADuM4121在数据手册标题中提到了2 A驱动能力，但典型饱和电流超过7 A。这是因为该特定数据手册在标题中使用了峰值电流的保守定义，告诉用户该器件在所有温度和工艺变化下绝对可以提供2 A电流。该I-V曲线也采用2 Ω外部串联栅极电阻，以模拟实际应用性能。重要的是要确保用户比较的产品峰值电流定义在不同器件之间是相同的，否则比较可能会错过关键因素。

图5.ADuM4121数据手册I-V曲线

米勒电容

虽然MOSFET或IGBT大致表现为容性负载，但由于动态栅极-漏极电容，存在非线性，这导致米勒平台区域，电容在导通（图6）和关断转换期间发生变化。在此米勒平台区间内，最需要栅极电容的充电电流。峰值电流数此时不考虑当前值。然而，较高的峰值电流意味着米勒高原区域的电流通常会更大。

图6.显示米勒高原的IGBT的开启跃迁。

功耗：主要考虑因素

为了对功率器件的栅极进行充电和放电，必须消耗能量。如果使用等效电容模型，并且每个开关周期都发生栅极完全充电和放电，则隔离式和非隔离式栅极驱动器的栅极开关动作消耗的功率为：

哪里：

P迪斯是在一个周期内切换栅极的功耗。

C情 商是等效栅极电容。

VDD2是功率器件栅极的总电压摆幅。

QG_TOT是功率器件的总栅极电荷。

fS是系统的开关频率。

需要注意的是，等效栅极电容C情 商，与 C 不同HS2可在功率器件数据手册中找到。它通常比 C 大 3 到 5 倍HS2，和总栅极电荷，QG_TOT，是一个更准确的数字。还应该注意的是，充电和放电的串联电阻不在此等式中出现，因为这仅与开关动作中消耗的总功率有关，而与栅极驱动器IC内的功耗无关。

由于隔离式栅极驱动器的隔离特性，标准要求不同的隔离区域通过足够的爬电距离和间隙距离分开。初级到次级区域路径中的任何电流导体都会减去爬电距离和间隙距离，因此，很少看到裸露焊盘或散热片可用于隔离栅极驱动器。这意味着帮助降低集成电路热阻的主要方法之一不可用，导致将功耗转移到隔离式栅极驱动器封装之外以允许在给定工作点实现更高环境温度操作的重要性更高。

由于无法向隔离式栅极驱动器添加散热片，所用封装的热阻大致与引脚数、内部金属化、引线框架连接和封装尺寸有关。对于给定的隔离式栅极驱动器部件号，在比较可用器件时，封装尺寸、引脚数和引脚排列通常相同，导致竞争器件之间的θ-JA编号大致相同。

栅极驱动器IC内的散热是导致内部结温升高的原因。公式1中计算的功耗是功率器件栅极上下的总功耗。栅极驱动器IC内的功耗在输出驱动FET的内部电阻之间分配，RDS（打开）_N和 RDS（ON）_P和外部串联栅极电阻，R内线.如果栅极驱动器主要在线性区域工作，则栅极驱动器IC经历的功耗比为：

如果 RDS（打开）_N= RDS（ON）_P= RDS（ON），公式2可以简化为：

栅极驱动器IC从功率器件开关中获得的总功率变为公式1乘以公式3：

从公式4可以看出，较小的RDS（ON）导致隔离式栅极驱动器内发生的功耗比例较小。如果要满足所需的上升/下降时间，则应保留功率器件栅极充电和放电的RC常数。RC常数中的电阻是内部R的串联组合DS（ON）和外部串联栅极电阻。换句话说，如果在应用中使用两个竞争驱动器具有相同的上升和下降速度，则具有较低R的驱动器DS（ON）允许更大的外部串联栅极电阻，同时保持总串联电阻相同，这意味着栅极驱动器IC本身的功耗更小。

比较案例研究

为了演示峰值电流定义如何因产品而异，并展示较低R的优势DS（ON）在一个隔离式栅极驱动器中，选择了三个标题中提到的具有4 A的隔离式半桥驱动器。所有三个驱动器都具有相似的爬电距离、间隙、引脚排列和焊盘模式。这允许使用通用布局来测试所有三个部分。ADuM4221评估板用作测试平台，用于比较ADuM4221和两个器件（竞争产品1和竞争产品2）。评估板如图7所示。

图7.ADuM4221评估板

表1总结了每种数据手册的要求。

如果严格比较数据手册中的值，则竞争对手2应该提供最强的栅极驱动，因此在给定负载下具有最快的上升和下降时间。为了简化分析，负载使用分立陶瓷电容器，因此波形中不存在米勒平台。此外，仅使用双输出驱动器的一个输出。

对于第一个测试条件，每个驱动器通过0.5 Ω外部串联栅极电阻加载一个100 nF电容，配置如图3所示。在驱动器上执行单次导通和关闭，以保持驱动器内的功耗较低。该测试与峰值短路测试非常相似。结果如图8和图9所示。

图8.开启测试。100 nF，0.5 Ω R内线.（a） 电压与时间的关系。（b） 当前与时间。

图9.关闭测试。100 nF，0.5 Ω R内线.（a） 电压与时间的关系。（b） 当前与时间。

图8显示，不同驱动器的开启速度存在很大差异。令人惊讶的是，具有最高市售峰值电流的驱动器具有最慢的上升时间。电流波形显示，驱动器提供的电流都超过了承诺的电流值，但竞争对手2无法承受高电流。总上升时间是电流积分的函数。查看图 9 所示的下降时间，所有三个部件的性能都相对相似。虽然不同产品的峰值电流相似，但竞争对手 2 的持续电流最低。总体而言，这三个器件在关断测试中表现相似。从该测试中，我们可以看到，使用数据手册中的峰值电流数时，数据手册中的器件性能更强，其驱动器强度低于其他器件。

第二个测试条件是调整所有三个驱动器，使上升和下降时间相似，然后以恒定的开关频率操作器件以评估热性能。如图8所示，ADuM4221的上升时间最快，允许使用更大的外部串联栅极电阻，以匹配其他驱动器的上升时间。研究发现，1.87 Ω的外部串联栅极电阻使ADuM4221具有相似的上升和下降时间，而竞争产品1为0.91 Ω，竞争产品2使用0.97 Ω外部串联栅极电阻导通。ADuM4221的关断电阻调谐至0.97 Ω。输入和输出波形如图10所示。

图 10.调整了所有三个驱动器的上升/下降。通道1 = 输入，通道2 = ADuM4221，通道3 = 竞争产品1，通道4 = 竞争产品2。

当上升和下降时间调谐为等效时，电流波形的积分具有可比性，并且在功率器件中看到的开关损耗在应用中将具有可比性。通过使用更大的外部串联栅极电阻器，可以在隔离式栅极驱动器之外共享更多的热负载。图11、图12和图13显示了三个驱动器在相同环境温度下工作、开关频率为100 kHz、次级侧电压为15 V和负载电容为100 nF的热图像。

图 11.ADuM4221热图像

图 12.竞争对手 1 热图像。

图 13.竞争对手 2 热图像。

热像仪的标线是隔离式栅极驱动器的输出区域。每个器件右侧的亮点是外部串联栅极电阻。图11显示，外部串联栅极电阻比其他两个热图像更热。这是预期的操作，是可取的。所有三项测试均在相同的开关频率和相同的负载电容下工作，因此总功耗相同。外部电阻消耗的功率越多，栅极驱动器IC本身的功耗就越小。

竞争产品1的IC表面温度比ADuM4221高35.3⁰C，由于R值更高，因此竞争产品的热限制更高。DS（ON）.同样，与ADuM4221相比，竞争产品2的功耗导致表面温度升高18.9⁰C，导致在相同工作条件下产生更多的栅极驱动器发热。这表明，在选择栅极驱动器时，由于内阻较低而导致的热能力非常重要。在较高的环境温度下工作时，这种温度升高很重要。表2包含测试结果的表格。

结论

由于源电流和灌电流额定值的报告明显不同，因此粗略浏览数据手册标题后，对不同器件的驱动强度形成意见可能会产生误导。峰值电流定义缺乏透明度可能会超卖或低估器件，并极大地影响其在客户端进行全面评估之前被选中用于特定应用的机会。确保以同类方式比较数据手册中提到的峰值电流对于公平比较至关重要。热裕量和低R的重要性DS（ON）在评估隔离式栅极驱动器时应考虑这一点。虽然两个栅极驱动器可能能够调谐到相同的上升和下降值，但选择R较低的驱动器DS（ON）允许更大的热裕量和更高的开关速度灵活性。

审核编辑：郭婷