如何拓展IGBT驅(qū)動器電流

功率半導(dǎo)體驅(qū)動電路是集成電路的一個重要子類，功能強大，用于IGBT的驅(qū)動IC除了提供驅(qū)動電平和電流，往往帶有驅(qū)動的保護功能，包括退飽和短路保護、欠壓關(guān)斷、米勒鉗位、兩級關(guān)斷、軟關(guān)斷、SRC(slew rate control)等，產(chǎn)品還具有不同等級的絕緣性能。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)動需求，本文將討論IGBT驅(qū)動電流和電流擴展問題。

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如何拓展驅(qū)動器電流

當(dāng)需要增加驅(qū)動電流時，或驅(qū)動大電流、大柵極電容的IGBT時，就需要為驅(qū)動集成電路拓展電流。

采用雙極性晶體管

利用互補射極跟隨器實現(xiàn)電流拓展是 IGBT柵極驅(qū)動器最典型的設(shè)計，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IGBT所需要的電流大于IB*β，這時晶體管將進入線性工作區(qū)，輸出的驅(qū)動電流不足，這時IGBT電容的充電和放電速度會變慢，IGBT損耗增加。具體計算案例最后講。

互補射極跟隨器實現(xiàn)電流拓展電路

采用MOSFET

MOSFET也可以用于驅(qū)動器的電流擴展，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)計中上管PMOS的源極與正電源相聯(lián)，柵極低于源極的一個給定電壓PMOS就導(dǎo)通，而驅(qū)動集成電路輸出一般是高電平開通，所以采用PMOS+NMOS結(jié)構(gòu)時可能設(shè)計中需要一個反相器。

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，這時晶體管有優(yōu)勢。目前不少高功率密度設(shè)計，例如電動汽車電機驅(qū)動器，密閉箱體內(nèi)散熱困難，溫度高，這時效率非常重要，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償驅(qū)動管VCE(sat) 以實現(xiàn)15V的驅(qū)動電壓，而MOSFET解決方案幾乎可以實現(xiàn)一個軌至軌的輸出。

（3）MOSFET的耐壓，VGS僅20V左右，這在使用正負(fù)電源時可能是個需要注意的問題。

（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)時有熱失控問題。

（5）如果驅(qū)動Si/SiC MOSFET，雙極型晶體管的開關(guān)速度通常比驅(qū)動對象MOSFET要慢，這時應(yīng)該考慮采用MOSFET擴展電流。

（6）輸入級對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。

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)計要求決定。

擴展驅(qū)動集成電路電流的設(shè)計要點雜談:

以1ED020I12-F2電流拓展設(shè)計為例，例子中帶有源米勒鉗位功能：

當(dāng)應(yīng)用外部電流擴展Booster時，會對應(yīng)用電路功能產(chǎn)生一些限制，也會對驅(qū)動IC的特性產(chǎn)生影響。在此給出一些提示，供設(shè)計考慮。

（1）Booster電路中的PNP管同時也有鉗位功能，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，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IC的最大箝位能力時（1ED020I12-F2為2A），需要增加一個PNP管進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）功能不受外部Booster的影響。

（4）當(dāng)使用外部Booster時，1ED020I12-FT/BT驅(qū)動IC的TLTO（兩電平關(guān)斷）功能無法實現(xiàn)。

（5）電源退耦電容CVCC2，需要根據(jù)外部Booster電路的情況進行增加，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）在進行PCB設(shè)計布局時，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)計中認(rèn)真對待，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Booster的晶體管，有的規(guī)格還有汽車級版本。

譬如：ZX5T851G NPN和ZX5T951G PNP 6A 60V的對管，其飽和壓降只有0.26Vmax。fT高達120-130MHz

簡單圖示設(shè)計實例：

結(jié) 論

雖然EiceDRIVER新的系列產(chǎn)品驅(qū)動電流可以在10A以上，但在中大功率模塊驅(qū)動中通過外接雙極型三極管或MOSFET擴展電流是常見的設(shè)計，也是工程師要掌握的基本功。設(shè)計要從基極電阻RB選取著手，通過計算和測試決定基極電阻選值。Booster電路設(shè)計可以參考《IGBT模塊：技術(shù)、驅(qū)動和應(yīng)用》一書的多個章節(jié)，本文簡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IC配合中的設(shè)計要點。