Prąd szczytowy izolowanych sterowników bramek tranzystorów

Niejednoznaczność w kartach katalogowych

Zamierzonym zastosowaniem prądu szczytowego jest stworzenie zwięzłego parametru do porównania siły sterowania bramki, ale reprezentacja ta różni się w zależności od części i producenta. Rysunek 4 pokazuje reprezentację krzywych I-V, a także niektóre typowe poziomy, których producenci napędów bramek używają do określenia wartości szczytowej prądu. Poziomy nasycenia krzywych I-V określonego tranzystora MOSFET różnią się znacznie w zależności od procesu produkcji krzemu i temperatury, często zmieniając się nawet ±2-krotnie w stosunku do typowej wartości. 

W wielu dokumentacjach szczytowy prąd nazywany jest typowym prądem nasycenia, który można zmierzyć zwierając wyjścia do względnie dużej pojemności w krótkim impulsie, gdy wyjście jest zwarte do masy. Bardzo rzadko można znaleźć komponent, którego dokumentacja wyraźnie pokazuje minimalne i maksymalne krzywe I-V(prądu i napięcia) sterowników wyjściowych w zależności od temperatury. Ale jeśli użyjemy typowej wartości nasycenia jako wartości szczytowej prądu, to niektóre elementy nie będą w stanie pracować z tak dużym prądem w aktualnej aplikacji. Niektóre dokumentacje podają wartość dla maksymalnego nasycenia, a inne podają minimalną wartość nasycenia. Jeszcze jedną metodą opisu dostępnego prądu szczytowego w sterowniku jest opisanie najwyższego prądu wciąż w liniowym obszarze najniższej krzywej I-V(prądu i napięcia) lub minimalnego prądu liniowego. Określając tę wartość, użytkownik może być pewien, że wszystkie komponenty w danej aplikacji będą pobierać prąd większy niż ta wartość. Ta wartość jest ostrożnie oszacowana, ale użytkownik może wiedzieć, że przy odpowiednim doborze zewnętrznego szeregowego rezystora bramkowego, prąd tranzystorów wyjściowych FET sterownika bramki nie będzie w obszarze nasycenia na skutek zmian procesowych czy temperatury.

Produkcyjne testowanie prądu szczytowego jest często bardzo trudne z uwagi na ograniczenia prądu w środowiskach testowych. Nie jest niczym niezwykłym, że specyfikacja prądu szczytowego w izolowanych sterownikach bramek jest gwarantowana przez projekt i/lub charakterystykę. Różni producenci mogą - ale nie muszą - podawać minimalne lub maksymalne wartości prądu szczytowego. W związku z tym, nie ma zgody co do tego, którego wyrażenia wartości prądu szczytowego użyć do porównania pomiędzy dowolnymi komponentami. Należy zauważyć, że prąd szczytowy nie jest prądem stałym ani średnim. Jeśli wyjście sterownika bramki działa poprawnie w liniowym obszarze wyjściowych tranzystorów FET, to prąd szczytowy występuje tylko na samym początku przełączania.

Rysunek 4: Przykładowe krzywe I-V wyjściowych tranzystorów FET sterownika

Mimo, że pełne minimalne i maksymalne krzywe nasycenia w zależności od zmian temperatury i innych procesów prawie nigdy nie trafiają do dokumentacji, niektórzy producenci izolowanych sterowników bramek dostarczają jedynie typową krzywą I-V dla sterownika wyjściowego. Może to być przedstawione jako krzywa I-V zwarcia lub zmierzona na zewnętrznym oporniku szeregowym bramki, aby precyzyjniej naśladować rzeczywiste użycie w aplikacji. Patrząc na krzywą I-V, która zawiera zewnętrzną rezystancję szeregową, oś napięcia jest zwykle określona w napięciu strony wtórnej, co oznacza, że wykreślone napięcie jest napięciem VDD2 dzielonym na wewnętrzny RDS(ON) i zewnętrzny szeregowy rezystor bramki. Rysunek 5 pokazuje typowe krzywe I-V dla ADuM4121 znalezione w dokumentacji. Należy zauważyć, że dokumentacja ADuM4121 wspomina o możliwości sterowania prądem 2A, ale typowe prądy nasycenia przekraczają 7A. Dzieje się tak, ponieważ ten konkretny arkusz danych wykorzystuje konserwatywną definicję prądu szczytowego w tytule, mówiąc użytkownikom, że część może z pewnością dostarczyć 2A we wszystkich zmianach temperatury i procesu. Ta krzywa I-V jest również zmierzona z zewnętrznym szeregowym rezystorem bramkowym 2Ω, aby naśladować rzeczywistą pracę systemu. Ważne jest, aby upewnić się, że definicja prądu szczytowego jest taka sama we wszystkich elementach, jakie porównywane są w danej aplikacji, w przeciwnym razie porównanie może pomijać kluczowe czynniki.

Rysunek 5. Krzywe I-V ADuM4121, dokumentacja.

Pojemność Millera

Mimo, że bramka MOSFETa lub modułu IGBT z grubsza jest obciążeniem pojemnościowym, istnieje nieliniowość z powodu pojemności dynamicznej drenu bramki, co skutkuje regionem plateau Millera, w którym pojemność zmienia się podczas włączania (Rysunek 6) i wyłączania. Prąd ładowania dla kondensatora bramki jest najbardziej potrzebny podczas tego okresu. Wartość szczytowa prądu nie uwzględnia aktualnej wartości w tym momencie. Jednak wyższy prąd szczytowy oznacza, że prąd w regionie płaskowyżu Millera będzie zwykle większy.

Rysunek 6: Stan przejściowy załączania tranzystora IGBT przedstawiający plateau Millera.