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隔離式柵極驅動器的應用研究
2021-11-11 來源:深圳市騰恩科技有限公司
為了說明不同產品的峰值電流定義有何差異,并展示隔離式柵極驅動器中較低RDS(ON)的好處,我們選擇了三款隔離式半橋驅動器,其手冊中均提到了4A峰值電流。所有三個驅動器的爬電距離、電氣間隙、引腳排列和焊盤圖形都相似。因此,可以使用相同布局來測試所有三個器件。使用ADuM4221 評估板作為測試平臺來比較ADuM4221和另外兩個器件,分別稱為競爭產品1和競爭產品2。評估板如圖7所示。
下表總結了每種器件的數據手冊聲稱的數值:
如果嚴格比較數據手冊中顯示的值,競爭產品2提供的柵極驅動看起來最強,因此對于給定負載,其上升和下降時間最快。為簡化分析,負載使用分立陶瓷電容,故波形中不存在米勒平坦區。此外,僅使用雙通道輸出驅動器的一路輸出。
對于第一個測試條件,每個驅動器的負載為100 nF電容和0.5Ω外部串聯柵極電阻。在驅動器上執行一次導通和關斷操作,以使驅動器內部的功耗保持較低。該測試非常類似于峰值短路測試。結果如下圖1(導通測試)和圖2 (關斷測試)所示。

圖1    導通測試



圖2   、關斷測試。

上面圖1(導通測試)表明,不同驅動器的導通速度存在很大差異。令人驚訝的是,市場上峰值電流最高的驅動器的上升時間最慢。電流波形表明,所有驅動器的輸出都超過了標定的電流值,但競爭產品2不能維持高電流。總上升時間是電流積分的函數。檢查上圖2 (關斷測試)所示的下降時間,所有三個器件的表現旗鼓相當。盡管各產品的峰值電流相似,但競爭產品2的持續電流最低。總體而言,三個器件在關斷測試中表現相似。從該測試可以看到,數據手冊中的峰值電流數值更強的器件,其表現出的驅動強度低于其他器件。
第二個測試條件是調整所有三個驅動器,使其上升和下降時間相似,然后以恒定的開關頻率操作這些器件以評估熱性能。如圖1(導通測試)所示,ADuM4221的上升時間最快,可以使用較大的外部串聯柵極電阻以與其他驅動器的上升時間一致。結果發現,針對導通情況,與競爭產品1的0.91Ω和競爭產品2的0.97Ω外部串聯柵極電阻相比,1.87Ω外部串聯柵極電阻可以使ADuM4221具有相似的上升和下降時間。ADuM4221的關斷電阻調整至0.97Ω。輸入和輸出波形如下圖3所示。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 圖3  

將上升時間和下降時間調至相等時,電流波形的積分是可以比較的,功率器件中的開關損耗在應用中也是可以比較的。通過使用較大的外部串聯柵極電阻,隔離式柵極驅動器外部可以承擔更多的熱負載。下圖4、圖5和圖6顯示了三個驅動器在相同環境溫度下工作時的熱分布圖,開關頻率為100 kHz,副邊電壓為15 V,負載電容為100 nF。

圖4.ADuM4221熱分布圖


南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 圖5.競爭產品1的熱分布圖(圖片名稱)


南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 圖6.競爭產品2的熱分布圖(圖片名稱)

熱像儀的十字線是隔離式柵極驅動器的輸出區域。每個驅動器右側的亮點是外部串聯柵極電阻。圖11中的外部串聯柵極電阻比另外兩個熱分布圖中的電阻更熱。這是符合預期和需要的情況。所有三個測試均以相同開關頻率和相同負載電容進行,因此總功耗相同。外部電阻的功耗越多,柵極驅動器IC本身的功耗就越少。
競爭產品1的IC表面溫度比ADuM4221高35.3°C,這是因為較高RDS(ON)對競爭產品有熱限制。類似地,競爭產品2的功耗導致其表面溫度比ADuM4221高18.9°C,因而在相同工作條件下其柵極驅動器更熱。這表明,在選擇柵極驅動器時,較低內部電阻所產生的散熱能力是重要考慮因素。在較高環境溫度下工作時,這種溫度升高很重要。下表列出了測試結果。

南宫28ng娱乐app下载-南宫28官网入口-南宫28ng娱乐官网-ng28南宫娱乐app-南宫国际app 表2.熱性能比較

隔離器廠家報告的拉電流和灌電流額定值差異懸殊,粗略瀏覽數據手冊標題便形成對不同器件驅動強度的看法可能會產生誤導。峰值電流定義缺乏透明度可能導致器件銷售過多或不足,并極大地影響其在客戶進行全面評估之前被特定應用選中的機會。為了進行公平的比較,須確保數據手冊中提到的峰值電流具有可比性。當評估隔離式柵極驅動器時,應考慮熱裕量和低RDS(ON)的重要性。盡管可以將兩個柵極驅動器的上升和下降值調整為相同,但選擇RDS(ON)較低的驅動器可以提供更大的熱裕量和更靈活的開關速度。

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