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    正確理解驅動電流與驅動速度

    發布時間:2022-05-07 來源:芯師爺 責任編輯:wenwei

    【導讀】本文主要闡述了在驅動芯片中表征驅動能力的關鍵參數:驅動電流和驅動時間的關系,并通過實驗解釋了如何正確理解這些參數在實際應用中的表現。


    概述 

    驅動芯片


    功率器件如MOSFET、IGBT需要驅動電路的配合從而得以正常地工作。圖1顯示了一個驅動芯片驅動一個功率MOSFET的電路。當M1開通,M2關掉的時候,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M1關斷,M2開通的時候,Cgs通過Rg和M2放電,從而使MOSFET關斷,其放電簡化電路見圖3。


    1650803050828851.png

    圖 1. 功率器件驅動電路


    1650803038593516.png

    圖 2. 開通時的簡化電路及充電電流


    1650803027218564.png

    圖 3. 關斷時的簡化電路及放電電流


    驅動電路的驅動能力影響功率器件的開關速度,進而影響整個系統的效率、電磁干擾等性能。驅動能力太強會導致器件應力過高、電磁干擾嚴重等問題; 而驅動能力太弱會導致系統效率降低。因此,選擇一個適當驅動能力的芯片來驅動功率器件就顯得至關重要。


    衡量驅動能力的主要指標


    驅動電流和驅動速度


    衡量一個驅動芯片驅動能力的指標主要有兩項:驅動電流和驅動的上升、下降時間。這兩項參數在一般驅動芯片規格書中都有標注。而在實際應用中,工程師往往只關注驅動電流而忽視上升、下降時間這一參數。事實上,驅動的上升、下降時間這個指標也同樣重要,有時甚至比驅動電流這個指標還重要。因為驅動的上升、下降時間直接影響了功率器件的開通、關斷速度。


    1650803010574673.png

    圖 4. MOSFET開通時驅動電壓和驅動電流


    圖4顯示了一個MOSFET開通時門極驅動電壓和驅動電流的簡化時序圖。t1到t2這段時間是門極驅動的源電流(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,源電流繼續給MOSFET的輸入電容充電,門極電壓上升直到達到門極驅動的電源電壓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。不同的驅動芯片有不同的電流建立時間,這一建立時間會影響驅動的速度。


    測試對比


    以下通過實測兩款芯片SLM2184S和IR2184S的性能來說明驅動電流建立時間對驅動速度的影響。


    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的電流建立時間遠比IR2184S的建立時間更短。


    表格1:SLM2184S 和IR2184S驅動電流和驅動時間對比

    18.png


    因此,在負載電容(比如MOSFET的輸入電容)較小的時候,SLM2184S的驅動速度并不比IR2184S的驅動速度慢。如在1nF的負載電容下,兩者的驅動速度基本一致。只有當負載電容較大的時候,如在3.3nF的情況下,SLM2184S的驅動速度才會比IR2184S慢。


    實測


    SLM2184S vs IR2184S 驅動測試對比


    ? 圖5~圖16: 實測SLM2184S的驅動電流和驅動時間的波形。

    ? 圖17~圖28: 實測IR2184S的驅動電流和驅動時間的波形。


    SLM2184S驅動測試


    19.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動源電流

    圖5:SLM2184S的驅動源電流

    負載電容100nF


    20.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動源電流

    圖6:SLM2184S的驅動源電流上升速度

    負載電容100nF


    21.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動灌電流

    圖7:SLM2184S的驅動灌電流

    負載電容100nF


    22.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動灌電流

    圖8:SLM2184S的驅動灌電流上升速度

    負載電容100nF


    23.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動源電流

    圖9:SLM2184S的驅動上升速度

    負載電容1nF


    24.png

    CH2: 驅動輸出

    圖10:SLM2184S的驅動上升速度

    負載電容1nF


    25.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動灌電流

    圖11:SLM2184S的驅動下降速度

    負載電容1nF


    26.pngCH2: 驅動輸出

    圖12:SLM2184S的驅動下降速度

    負載電容1nF


    27.png

    CH2: 驅動輸出

    圖13:SLM2184S的驅動上升速度

    負載電容2.2nF


    28.png

    CH2: 驅動輸出

    圖14:SLM2184S的驅動上升速度

    負載電容3.3nF


    29.png

    CH2: 驅動輸出

    圖15:SLM2184S的驅動下降速度

    負載電容2.2nF


    30.png

    CH2: 驅動輸出

    圖16:SLM2184S的驅動下降速度

    負載電容3.3nF


    IR2184S驅動測試


    1650802881518049.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動源電流

    圖17:IR2184S的驅動源電流

    負載電容100nF


    1650802865221217.png

    CH1: 驅動輸人; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動源電流

    圖18:IR2184S的驅動源電流上升速度

    負載電容100nF


    1650802853238446.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動灌電流

    圖19:IR2184S的驅動灌電流

    負載電容100nF


    1650802829357464.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動灌電流

    圖20:IR2184S的驅動灌電流上升速度

    負載電容100nF


    1650802817417642.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動源電流

    圖21:IR2184S的驅動上升速度

    負載電容1nF


    1650802804728635.png

    CH2: 驅動輸出

    圖22:IR2184S的驅動上升速度

    負載電容1nF


    1650802785680742.png

    CH1: 驅動輸入; CH2: 驅動輸出; CH4: 驅動灌電流

    圖23:IR2184S的驅動下降速度

    負載電容1nF


    1650802774840010.png

    CH2: 驅動輸出

    圖24:IR2184S的驅動下降速度

    負載電容1nF


    1650802761335618.png

    CH2: 驅動輸出

    圖25:IR2184S的驅動上升速度

    負載電容2.2nF


    1650802743647821.png

    CH2: 驅動輸出

    圖26:IR2184S的驅動上升速度

    負載電容3.3nF


    1650802730163855.png

    CH2: 驅動輸出

    圖27:IR2184S的驅動下降速度

    負載電容2.2nF


    1650802717156204.png

    CH2: 驅動輸出

    圖28:IR2184S的驅動下降速度

    負載電容3.3nF


    測試總結


    從以上實驗測試可以看到,驅動芯片的驅動速度不僅取決于驅動電流的大小,還受到諸如驅動電流建立時間、MOSFET的輸入電容等因素的影響。有些驅動芯片的驅動電流雖然比較大,但由于它的電流上升和下降速度很慢,并沒有很好地發揮大驅動電流的作用,甚至在大部分應用場合下驅動速度(tr和tf)不如驅動電流小的驅動芯片。因此,在選擇驅動芯片的時候,不僅要關注驅動電流的大小,也要關注在一定負載電容下的上升、下降時間。當然最為妥當的辦法是根據實際選擇的功率管測量驅動端的波形,從而判斷是否選擇了合適的驅動芯片。



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