功率半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路是集成電路的一個(gè)重要子類，功能強(qiáng)大，用于IGBT的驅(qū)動(dòng)IC除了提供驅(qū)動(dòng)電平和電流，往往帶有驅(qū)動(dòng)的保護(hù)功能，包括退飽和短路保護(hù)、欠壓關(guān)斷、米勒鉗位、兩級(jí)關(guān)斷、軟關(guān)斷、SRC(slew rate control)等，產(chǎn)品還具有不同等級(jí)的絕緣性能。但作為集成電路，其封裝決定了最大功耗，驅(qū)動(dòng)IC輸出電流有的可以做到10A以上，但還是不能滿足大電流IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)需求，本文將討論IGBT驅(qū)動(dòng)電流和電流擴(kuò)展問題。
如何拓展驅(qū)動(dòng)器電流
當(dāng)需要增加驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，或驅(qū)動(dòng)大電流、大柵極電容的IGBT時(shí)，就需要為驅(qū)動(dòng)集成電路拓展電流。
采用雙極性晶體管
利用互補(bǔ)射極跟隨器實(shí)現(xiàn)電流拓展是 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器最典型的設(shè)計(jì)，射極跟隨器晶體管輸出電流由晶體管的直流增益hFE或β和基極電流IB決定，當(dāng)驅(qū)動(dòng)IGBT所需要的電流大于IB*β，這時(shí)晶體管將進(jìn)入線性工作區(qū)，輸出的驅(qū)動(dòng)電流不足，這時(shí)IGBT電容的充電和放電速度會(huì)變慢，IGBT損耗增加。具體計(jì)算案例最后講。
互補(bǔ)射極跟隨器實(shí)現(xiàn)電流拓展電路
采用MOSFET
MOSFET也可以用于驅(qū)動(dòng)器的電流擴(kuò)展，電路一般由PMOS+NMOS構(gòu)成，但電路結(jié)構(gòu)的邏輯電平與晶體管推挽相反。設(shè)計(jì)中上管PMOS的源極與正電源相聯(lián)，柵極低于源極的一個(gè)給定電壓PMOS就導(dǎo)通，而驅(qū)動(dòng)集成電路輸出一般是高電平開通，所以采用PMOS+NMOS結(jié)構(gòu)時(shí)可能設(shè)計(jì)中需要一個(gè)反相器。
用雙極晶體管還是MOSFET？
（1）效率差異，通常在大功率應(yīng)用中，開關(guān)頻率不是很高，所以導(dǎo)通損耗是主要的，這時(shí)晶體管有優(yōu)勢(shì)。目前不少高功率密度設(shè)計(jì)，例如電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，密閉箱體內(nèi)散熱困難，溫度高，這時(shí)效率非常重要，可以選擇晶體管電路。
（2） 雙極晶體管解決方案的輸出有VCE(sat)造成的電壓降，需要提高供電電壓來補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)管VCE(sat) 以實(shí)現(xiàn)15V的驅(qū)動(dòng)電壓，而MOSFET解決方案幾乎可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)軌至軌的輸出。
（3）MOSFET的耐壓，VGS僅20V左右，這在使用正負(fù)電源時(shí)可能是個(gè)需要注意的問題。
（4）MOSFET的Rds(on)有負(fù)的溫度系數(shù)，而雙極晶體管有正的溫度系數(shù)，MOSFET并聯(lián)時(shí)有熱失控問題。
（5）如果驅(qū)動(dòng)Si/SiC MOSFET，雙極型晶體管的開關(guān)速度通常比驅(qū)動(dòng)對(duì)象MOSFET要慢，這時(shí)應(yīng)該考慮采用MOSFET擴(kuò)展電流。
（6）輸入級(jí)對(duì)ESD和浪涌電壓的魯棒性，雙極型晶體管PN結(jié)與MOS柵極氧化物相比有明顯優(yōu)勢(shì)。
雙極晶體管和MOSFET特性不一樣，用什么還是需要您自己按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求決定。
擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)集成電路電流的設(shè)計(jì)要點(diǎn)雜談:
以1ED020I12-F2電流拓展設(shè)計(jì)為例，例子中帶有源米勒鉗位功能：
當(dāng)應(yīng)用外部電流擴(kuò)展Booster時(shí)，會(huì)對(duì)應(yīng)用電路功能產(chǎn)生一些限制，也會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)IC的特性產(chǎn)生影響。在此給出一些提示，供設(shè)計(jì)考慮。
（1）Booster電路中的PNP管同時(shí)也有鉗位功能，但在RG柵極電阻的另一側(cè)鉗位電流受限于柵極電阻阻值，效果不太理想時(shí)，這樣需要專門的米勒鉗位電路直接接到IGBT柵極，如1ED020I12_F2中的有源米勒箝位功能CLAMP管腳。
1ED020I12-F2系列的有源米勒箝位功能可與外部booster一起使用，當(dāng)米勒電流大于驅(qū)動(dòng)IC的最大箝位能力時(shí)（1ED020I12-F2為2A），需要增加一個(gè)PNP管進(jìn)行拓展米勒鉗位能力。就是圖中的PNP_CLAMP。在柵極電阻前的PNP_CLAMP晶體管應(yīng)該具有與Booster的PNP晶體管相同的電流能力。
RP作為上拉電阻是出于安全考慮，推薦值為10kΩ，以保證電流在毫安級(jí)范圍內(nèi)，不希望太高的功耗 。
（2）一般正負(fù)電源供電不再需要源米勒鉗位，如果要用的話，可以用拓展有源米勒鉗制PNP_CLAMP，并把VEE2和GND2分開（本例子中是連在一起的）。
（3）DESAT（退飽和檢測(cè)）功能不受外部Booster的影響。
（4）當(dāng)使用外部Booster時(shí)，1ED020I12-FT/BT驅(qū)動(dòng)IC的TLTO（兩電平關(guān)斷）功能無法實(shí)現(xiàn)。
（5）電源退耦電容CVCC2，需要根據(jù)外部Booster電路的情況進(jìn)行增加，以保證電源電壓的質(zhì)量，使它足以支持全部電路的功耗。
（6）在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)布局時(shí)，應(yīng)避免大的寄生電感和寄生電容，如縮短回路，避免高dv/dt路徑與接地路徑之間的重疊等等。
（7）要注意Booster的功耗，特別是雙極型晶體管功耗需要設(shè)計(jì)中認(rèn)真對(duì)待，不要把它放在PCB上最熱的地方。
推薦的Booster器件：
Diode公司有適用于驅(qū)動(dòng)Booster的晶體管，有的規(guī)格還有汽車級(jí)版本。
譬如：ZX5T851G NPN和ZX5T951G PNP 6A 60V的對(duì)管，其飽和壓降只有0.26Vmax。fT高達(dá)120-130MHz
簡(jiǎn)單圖示設(shè)計(jì)實(shí)例：
結(jié) 論
雖然EiceDRIVER™新的系列產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)電流可以在10A以上，但在中大功率模塊驅(qū)動(dòng)中通過外接雙極型三極管或MOSFET擴(kuò)展電流是常見的設(shè)計(jì)，也是工程師要掌握的基本功。設(shè)計(jì)要從基極電阻RB選取著手，通過計(jì)算和測(cè)試決定基極電阻選值。Booster電路設(shè)計(jì)可以參考《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用》一書的多個(gè)章節(jié)，本文簡(jiǎn)單列舉了用于電流拓展的三極管或MOSFET在各自電路上的表現(xiàn)，以及Booster電路在與驅(qū)動(dòng)IC配合中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 |
