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如何拓展IGBT驱动器电流

最新更新时间:2022-05-07
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功率半导体驱动电路是集成电路的一个重要子类,功能强大,用于IGBT的驱动IC除了提供驱动电平和电流,往往带有驱动的保护功能,包括退饱和短路保护、欠压关断、米勒钳位、两级关断、软关断、SRC(slew rate control)等,产品还具有不同等级的绝缘性能。但作为集成电路,其封装决定了最大功耗,驱动IC输出电流有的可以做到10A以上,但还是不能满足大电流IGBT模块的驱动需求,本文将讨论IGBT驱动电流和电流扩展问题。

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如何拓展驱动器电流


当需要增加驱动电流时,或驱动大电流、大栅极电容的IGBT时,就需要为驱动集成电路拓展电流。


采用双极性晶体管


利用互补射极跟随器实现电流拓展是 IGBT栅极驱动器最典型的设计,射极跟随器晶体管输出电流由晶体管的直流增益hFE或β和基极电流IB决定,当驱动IGBT所需要的电流大于IB*β,这时晶体管将进入线性工作区,输出的驱动电流不足,这时IGBT电容的充电和放电速度会变慢,IGBT损耗增加。具体计算案例最后讲。


互补射极跟随器实现电流拓展电路


采用MOSFET


MOSFET也可以用于驱动器的电流扩展,电路一般由PMOS+NMOS构成,但电路结构的逻辑电平与晶体管推挽相反。设计中上管PMOS的源极与正电源相联,栅极低于源极的一个给定电压PMOS就导通,而驱动集成电路输出一般是高电平开通,所以采用PMOS+NMOS结构时可能设计中需要一个反相器。


用双极晶体管还是MOSFET?

(1)效率差异,通常在大功率应用中,开关频率不是很高,所以导通损耗是主要的,这时晶体管有优势。目前不少高功率密度设计,例如电动汽车电机驱动器,密闭箱体内散热困难,温度高,这时效率非常重要,可以选择晶体管电路。

(2) 双极晶体管解决方案的输出有VCE(sat)造成的电压降,需要提高供电电压来补偿驱动管VCE(sat) 以实现15V的驱动电压,而MOSFET解决方案几乎可以实现一个轨至轨的输出。

(3)MOSFET的耐压,VGS仅20V左右,这在使用正负电源时可能是个需要注意的问题。

(4)MOSFET的Rds(on)有负的温度系数,而双极晶体管有正的温度系数,MOSFET并联时有热失控问题。

(5)如果驱动Si/SiC MOSFET,双极型晶体管的开关速度通常比驱动对象MOSFET要慢,这时应该考虑采用MOSFET扩展电流。

(6)输入级对ESD和浪涌电压的鲁棒性,双极型晶体管PN结与MOS栅极氧化物相比有明显优势。


双极晶体管和MOSFET特性不一样,用什么还是需要您自己按照系统设计要求决定。

扩展驱动集成电路电流的设计要点杂谈:

以1ED020I12-F2电流拓展设计为例,例子中带有源米勒钳位功能:



当应用外部电流扩展Booster时,会对应用电路功能产生一些限制,也会对驱动IC的特性产生影响。在此给出一些提示,供设计考虑。

(1)Booster电路中的PNP管同时也有钳位功能,但在RG栅极电阻的另一侧钳位电流受限于栅极电阻阻值,效果不太理想时,这样需要专门的米勒钳位电路直接接到IGBT栅极,如1ED020I12_F2中的有源米勒箝位功能CLAMP管脚。

1ED020I12-F2系列的有源米勒箝位功能可与外部booster一起使用,当米勒电流大于驱动IC的最大箝位能力时(1ED020I12-F2为2A),需要增加一个PNP管进行拓展米勒钳位能力。就是图中的PNP_CLAMP。在栅极电阻前的PNP_CLAMP晶体管应该具有与Booster的PNP晶体管相同的电流能力。

RP作为上拉电阻是出于安全考虑,推荐值为10kΩ,以保证电流在毫安级范围内,不希望太高的功耗 。

(2)一般正负电源供电不再需要源米勒钳位,如果要用的话,可以用拓展有源米勒钳制PNP_CLAMP,并把VEE2和GND2分开(本例子中是连在一起的)。

(3)DESAT(退饱和检测)功能不受外部Booster的影响。

(4)当使用外部Booster时,1ED020I12-FT/BT驱动IC的TLTO(两电平关断)功能无法实现。

(5)电源退耦电容CVCC2,需要根据外部Booster电路的情况进行增加,以保证电源电压的质量,使它足以支持全部电路的功耗。

(6)在进行PCB设计布局时,应避免大的寄生电感和寄生电容,如缩短回路,避免高dv/dt路径与接地路径之间的重叠等等。

(7)要注意Booster的功耗,特别是双极型晶体管功耗需要设计中认真对待,不要把它放在PCB上最热的地方。

推荐的Booster器件:

Diode公司有适用于驱动Booster的晶体管,有的规格还有汽车级版本。


譬如:ZX5T851G NPN和ZX5T951G PNP 6A 60V的对管,其饱和压降只有0.26Vmax。fT高达120-130MHz

简单图示设计实例:


结 论


虽然EiceDRIVER™新的系列产品驱动电流可以在10A以上,但在中大功率模块驱动中通过外接双极型三极管或MOSFET扩展电流是常见的设计,也是工程师要掌握的基本功。设计要从基极电阻RB选取着手,通过计算和测试决定基极电阻选值。Booster电路设计可以参考《IGBT模块:技术、驱动和应用》一书的多个章节,本文简单列举了用于电流拓展的三极管或MOSFET在各自电路上的表现,以及Booster电路在与驱动IC配合中的设计要点。




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