4-SCALE-iDriver推动级电路的深入介绍-魏炜-201701-印刷版本

SCALE-iDriver推动级电路的深入介绍WinsonWei中文技术支持电话：400-0755-6692017.02技术支持邮件：[e-mail]理想的门极回路模型现实的门极回路模型，有3个非理想因素门极寄生电感二阶LCR回路的理论分析提出临界阻值和折算系数的概念门极电阻与折算系数的关系推动级内阻推动级阶跃不够陡峭SCALE-iDriver采用的推动级电路及实现方法目录2©2017PowerIntegrations|如果纯粹的理论模型如右上图所示门极回路中只有门极电阻，而没有电感推动级是理想的阶跃信号，不需要时间就能从低电平跳到高电平门极电流的形态门极电流不需要时间就能从0跳到峰值电流处在这样的纯理论的无感回路中，门极电流的峰值是：I𝐩𝐞𝐚𝐤=△𝑼𝑹𝒈−𝒂𝒍𝒍理想的门极驱动回路3©2017PowerIntegrations|理想门极电流理想推动级电压阶跃理想门极回路模型实际中的理论模型如右上图所示门极回路中除了有门极电阻，还有门极回路杂散电感推动级是不是理想的阶跃信号，需要一定时间能从低电平跳到高电平门极电流的形态门极电流需要时间才能从0跳到峰值电流处，因为电感量的作用，电流是不能突然变化的；在这样的实际的有杂散电感回路中，真实的门极电流的峰值是：I𝐩𝐞𝐚𝐤=△𝑼𝑹×𝒈−𝒂𝒍𝒍ד折算系数”实际中的门极驱动回路是这样的4©2017PowerIntegrations|实际的门极回路中一定会有电感量理想数学模型中的电压源是没有内阻的，而实际的推动级的半导体器件含有内阻实际的推动级的电压信号不会是理想的阶跃信号，需要时间才能从低位跃迁至高位现实中有3个因素无法达到理想5©2017PowerIntegrations|实际门极电流实际推动级电压阶跃实际门极回路模型实际的门极回路中一定会有电感量理想数学模型中的电压源是没有内阻的，而实际的推动级的半导体器件含有内阻实际的推动级的电压信号不是理想的阶跃信号，需要时间才能从低位跃迁至高位现实中有3个因素无法达到理想6©2017PowerIntegrations|回路，是有电感量的根据常识，我们知道，如果回路中有电感量，那么电流就不能实现突变门极回路中有杂散电感产生的影响7©2017PowerIntegrations|模型，根据R、L、C上的电压之和等于电压源，列出以下方程，以回路电流i(t)为未知数：将此方程全部项取一次微分算子，得到下面这个方程：解出这个方程就得到了二阶电路的规律如何用数学方法计算出门极回路的峰值电流8©2017PowerIntegrations|𝑳∙𝒅𝒊𝒕𝒅𝒕+𝑹∙𝒊𝒕+𝟏𝑪∙𝒊𝒕∙𝒅𝒕=𝑼𝑳∙𝒅𝟐𝒊𝒕𝒅𝟐𝒕+𝑹∙𝒅𝒊𝒕𝒅𝒕+𝟏𝑪∙𝒊(𝒕)=0在二阶RLC电路的阶跃响应中，存在“阻尼比”的概念阻尼比定义为：𝜻=𝑹𝟐𝑪𝑳当𝜻=0时，称为无阻尼，系统为无穷震荡，不收敛𝜻由0越接近1时，收敛越快当𝜻1时，称为欠阻尼，意味着系统存在超调，且有震荡当𝜻1时，称为过阻尼，意味着系统不超调当𝜻=1时，称为临界阻尼，意味着系统不超调，且以最短的时间恢复到平衡状态，或说稳定状态二阶RLC电路阶跃响应(电容电压)9©2017PowerIntegrations|根据上页的介绍，我们在二阶阶跃响应中主要介绍的是电压波形，但是在IGBT驱动电路中，我们还需要讨论电流波形二阶RLC电路阶跃响应(电流波形)10©2017PowerIntegrations|欠阻尼过阻尼电流零点电流仿真波形理论显示，门极电流可以有4种形态无阻尼欠阻尼临界阻尼过阻尼实际中我们能使用的极限其实是临界阻尼在欠阻尼时，门极电流会出现震荡，这不是我们想要的过阻尼时门极电流不够大，所以门极电流的极大值出现在临界阻尼的情形下如何用数学方法计算出门极回路的峰值电流11©2017PowerIntegrations|临界阻尼下，𝜻=𝑹𝟐𝑪𝑳=𝟏，这个边界条件下，电阻为：𝑹=𝟐𝑳𝑪在临界阻尼的边界条件下，i(t)的极大值的表达式为：𝑰𝒎𝒂𝒙(𝒏𝒐𝒏−𝒐𝒔𝒄)=𝟐𝒆∙∆𝑼𝒈𝒂𝒕𝒆𝑹𝒈,𝒎𝒊𝒏𝒏𝒐𝒏−𝒐𝑠𝑐≈𝟎.𝟕𝟒∙∆𝑼𝒈𝒂𝒕𝒆𝑹𝒈,𝒎𝒊𝒏𝒏𝒐𝒏−𝒐𝑠𝑐=𝟎.𝟕𝟒∙∆𝑼𝑹𝒈_𝒂𝒍𝒍0.74（=𝟐𝒆）是在这个情形下的折算系数门极回路的峰值电流极大值（@临界阻尼）12©2017PowerIntegrations|临界阻值将峰值电流出现极大值(临界阻尼)的情况下的电阻表达如下：可以看出，临界阻尼下电阻的数值是与门极回路中的电感量和门极的电容值有关系的；这个阻值叫“临界阻值”；每一个门极回路都有其临界阻值，这是一个特征值，例如一个门极回路的寄生电感量为25nH，门极等效容量为100nF，则临界电阻的数值=𝟐𝑳𝒈𝑪𝒈𝒈=1欧姆；门极回路的临界阻值13©2017PowerIntegrations|𝒈,𝒎𝒊𝒏(𝒏𝒐𝒏−𝒐𝒔𝒄)=𝟐𝑳𝒈𝑪𝒈𝒈Lg是回路中全部电感量Cgg是全部电容以门极电阻为变量通常在现实中，门极回路中电阻的改变是最容易的，而门极电感量和门极等效电容量是比较固定的，因此我们研究这个理论问题主要是以门极电阻为变量在这样的实际的有杂散电感回路中，真实的门极电流的峰值是：I𝐩𝐞𝐚𝐤=△𝑼𝑹×𝒈−𝒂𝒍𝒍ד折算系数”定义：将I𝐩𝐞𝐚𝐤=△𝑼𝑹𝒈−𝒂𝒍𝒍这个计算值称作：“峰值电流极限值”实际峰值电流=“折算系数”ד峰值电流极限值”讨论门极回路电阻14©2017PowerIntegrations|电阻值与门极电流峰值根据常识，如果把门极电阻在临界值的基础上继续加大，门极电流的峰值会减小根据常识，如果把门极电阻在临界值的基础上继续加大，门极电流的峰值的极限值会减小根据如下公式：实际峰值电流=折算系数×峰值电流极限值如果把门极电阻在临界值的基础上继续加大，折算系数会继续增大(大于0.74)，当门极电阻趋于无穷大时，该系数趋于1从数学上看，实际测试的峰值电流在极限情况下可以无穷接近“峰值电流极限值”，但总是达不到这个值电阻值与折算系数的关系15©2017PowerIntegrations|实际的门极回路中一定会有电感量理想数学模型中的电压源是没有内阻的，而实际的推动级的半导体器件含有内阻实际的推动级的电压信号不是理想的阶跃信号，需要时间才能从低位跃迁至高位现实中有3个因素无法达到理想16©2017PowerIntegrations|实际门极电流实际推动级电压阶跃实际门极回路模型内阻产生的影响：实际中推动级是有内阻的，而内阻的存在也会产生影响假设模型中只有一个因素是非理想的右图是一个阶跃理想、回路理想（无感）的模型，只是推动级不理想（R3为推动级内阻）U3是理想的阶跃，U2是实际有内阻的推动级的阶跃，可见，U2的形状在最前端是阶跃的，然后再缓慢上升；U2阶跃的幅值只有满幅值的一部分，而这个高度由R2和R3的阻值比例决定实际中推动级的内阻产生的影响117©2017PowerIntegrations|理想门极电流理想推动级电压阶跃推动级有内阻的模型推动级内阻门极驱动电阻=𝑼𝟑×𝑹𝟐𝑹𝟐+𝑹𝟑𝑼𝟐=𝑼𝟑×𝑹𝟐𝑹𝟐+𝑹𝟑如果推动级的内阻R3=0，则门极驱动电阻前面能看见理想的阶跃信号现实中如果外部电阻比推动级内阻大很多，则推动级的内阻的影响就会显著减小内阻产生的影响最终都会从门极峰值电流的数值上体现出来，内阻大到一定程度则门极电流的峰值水平就会受到约束实际中推动级的内阻产生的影响218©2017PowerIntegrations|理想门极电流理想推动级电压阶跃推动级有内阻的模型推动级内阻门极驱动电阻=𝑼𝟑×𝑹𝟐𝑹𝟐+𝑹𝟑𝑼𝟐=𝑼𝟑×𝑹𝟐𝑹𝟐+𝑹𝟑以SID1182为例，下面波形中黄色波形为门极电阻前面的波形（U2），与理论是一致的实测内阻产生的影响19©2017PowerIntegrations|=𝑼𝟑×𝑹𝟐𝑹𝟐+𝑹𝟑阶跃部分内阻分压R2=2.4欧R3=SID1182内阻，R2为外部配置的门极驱动电阻，负载=47nF，下图黄色波形为U2处（驱动电阻前端）的波形不同外阻时输出端的波形变化20©2017PowerIntegrations|=𝑼𝟑×𝑹𝟐𝑹𝟐+𝑹𝟑R2=20欧R2=2.4欧R2=1.5欧SCALE-iDriver的SID1182K的开通MOSFET的沟道电阻的典型值为0.76欧姆，为业界最低所以SCALE-iDriver在工作的时候自身发热明显比其他竞品要小，主要是得益于其内阻较低；SCALE-iDriver的推动级的MOSFET沟道电阻21©2017PowerIntegrations|实际的门极回路中一定会有电感量理想数学模型中的电压源是没有内阻的，而实际的推动级的半导体器件含有内阻实际的推动级的电压信号不是理想的阶跃信号，需要时间才能从低位跃迁至高位现实中有3个因素无法达到理想22©2017PowerIntegrations|实际门极电流实际推动级电压阶跃实际门极回路模型电压从低位跳到高位需要花时间理想中，激励源是阶跃信号，意味着电压从低位跳到高位不需要花时间，而现实中，这是不可能的起跳速度=开关管的开通速度实际中，推动级的MOSFET或者三极管在打开的瞬间，都是需要一定时间才能完成开通的行为，这就意味着推动级的起跳速度实际上就是开关管的开通速度门极峰值电流的高度受推动级的陡峭度影响推动级输出越陡峭，门极电流峰值越高实际中推动级不是理想阶跃而产生的影响23©2017PowerIntegrations|理想门极电流理想推动级电压阶跃实际推动级电压阶跃三极管的开通速度是关键参数，三极管的Vce的下降的dv/dt可以用来描述阶跃信号的陡峭度在阶跃信号中，输出点的电位迅速往上跳，其上跳的原因是推动级用的开关管(此处以三极管为例)迅速打开了，Vce迅速往下降这个过程是上管三极管开通的过程，Vce能以多快的速度往下降决定了阶跃信号的陡峭度阶跃信号的陡峭度由推动级的开通速度决定24©2017PowerIntegrations|的下降速度（也就是开通速度）相关因素Ic的数值Ib的数值三极管放大倍数β如果Ic要求出力很多，而Ib无法提供足够的电流β在三极管开关态时大约只有个位数那么小三极管容易进入线性区，就像IGBT进入退饱和是一样的，Vce的电压处在高位，下不来；三极管开通速度25©2017PowerIntegrations|的开关速度非常快，以SID1182为例，其起跳时的dv/dt4.5kV/us@空载3.