新型电流源极驱动器 BM60059FV-C 如何在有限的 dv/dt 下工作时将开关损耗降低多达 26%。
更改参数时，通常需要进行许多其他更改。因此，找到完美的设计通常非常困难。如果功率
半导体以开关速度更快的方式进行控制，则开关损耗会降低，从而提高系统效率。另一方面，正是这种高开关速度会对电机绝缘等其他组件的使用寿命产生负面影响，并可能导致EMI问题。恒流驱动技术可以在有限的dv/dt下降低开关损耗。
另一方面，正是这种高开关速度会对电机绝缘等其他组件的使用寿命产生负面影响，并可能导致EMI问题。凭借其新型栅极驱动器 BM60059FV-C，ROHM 可在有限的 dv/dt 下将开关损耗降低多达 26%。
电流源驱动器 （CSD） 和电压源驱动器 （VSD）：
图1显示了栅极驱动器BM61M41RFV-C（传统电压源驱动器）与BM60059FV-C（电流源驱动器）的框图。还显示了IGBT的理想导通特性以及针对不同类型驱动器的相应栅极电流。在整篇文章中，仅考虑开启特性。
（A） 图片由Bodo的电力系统公司提供
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图1.使用电压源驱动器BM61M41RFV-C（A和C）和电流源驱动器BM60059FV-C（B和D）的IGBT的典型导通特性。
图2.对于不同的ROUTREF值，使用恒流源驱动器BM60059和1200V IGBT在空载时测量栅极电流和栅极电压。
图2显示了三种不同R的栅极电流和栅极电压波形奥特雷夫使用驱动器 BM60059FV-C 驱动 1200V IGBT 时的设置。在每种情况下，都可以清楚地观察到恒定的栅极输出电流。
比较电流源驱动器和电压源驱动器时感兴趣的区域是周期T2-T3，其中dv/dt由米勒平台期间的栅极电流决定。在此区域中，仅对栅极集电极电容进行充电，其值与电压密切相关。在高集电极-发射极电压下，米勒电容很低，导通时，随着电压开始下降，其值增加。米勒高原也依赖于负载，特别是在高负载电流下，其电压V通用电气（米勒）更高［1］。从公式3可以明显看出，在较高的米勒平台电压下，栅极电流较低。因此，通过使用电压源驱动器，可以预期导通dv/dt将随着负载的增加而稳步下降，从而导致更高的导通损耗。另一方面，电流源驱动器具有保持恒定栅极电流输出的能力，可以在整个负载范围内实现恒定的dv/dt。这意味着当使用电流源驱动器而不是电压源驱动器时，高负载电流下的导通损耗会降低。为了验证恒流源极驱动器的优势和期望，开发了一种测试板，其中测试了分立式IGBT和SiC-MOSFET。标准电压源驱动器也在另一块板上实现，见图3。
图3.带电压源驱动器（顶部）和电流源驱动器（底部）的半桥测试板。
实验结果：
电流源驱动器和传统电压源驱动器板均使用双脉冲测试进行评估。评估了 1200V、100A 分立式 IGBT 和 1200V、55A、40mΩ 碳化硅-MOSFET。两款器件均采用 TO-247-4L 封装，其中包括一个驱动器发射极/源极引脚。两种情况均仅使用单极栅极驱动：IGBT为15V/0V，SiCMOSFET为18V/0V。表 1 显示了使用相应条件执行的测试列表。电压源驱动和电流源驱动在下文中分别称为VSD和CSD。
对于所有测试，都使用了主动米勒夹紧功能。对于分析，仅考虑了开启损耗。对功率器件进行了不同负载条件和不同开关速度的评估。图4显示了不同栅极电阻下IGBT和SiC MOSFET的电压源驱动和电流源驱动的dv/dt比较。VSD中的栅极电阻表示为Rg，控制CSD栅极电流的等效电阻表示为R奥特雷夫。
从图中可以明显看出，在较慢的开关速度（dv/dt 《 10V/ns）下，CSD 在 SiC MOSFET 和 IGBT 的整个负载范围内保持恒定的 dv/dt，这是传统驱动器无法实现的。对于正常到高开关速度，CSD 和 VSD 的行为类似。这意味着只有强制要求低 dv/dt 的应用才能从 CSD 中受益。
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图4.使用IGBT开启CSD（1）、带IGBT的VSD（2）、带SiC的CSD（3）、带SiC的VSD（4）期间的测量结果dv/dt。
当前源驱动程序的用例：
在电机驱动等应用中，通常将开关
电源器件的dv/dt限制为5V/ns。较高的dv/dt最终会损坏电机绕组并导致过早老化。对于工业电机驱动器，基于IGBT的逆变器是常态，IGBT电流源驱动的优势已在［2］中讨论过。另据报道，与基于IGBT的电机驱动器相比，使用具有有限dv/dt的SiC-MOSFET和传统的栅极驱动器可以带来更高的效率［3］。在驱动应用中使用 SiC-MOSFET 的优势可以通过 CSD 进一步利用。
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图5.最大dv/dt限制为5V/ns的导通损耗比较（A：IGBT，B：SiC-MOSFET）。图片由Bodo的电力系统提供
因此，分析了四种最大dv/dt为5V/ns的可能解决方案：
1. IGBT的电压源驱动
2. 碳化硅-MOSFET的电压源驱动
3. IGBT的电流源驱动
4. 碳化硅-MOSFET的电流源驱动
对于1200V、带VSD的100A分立IGBT，需要22Ω的栅极电阻，以将最大dv/dt限制为5V/ns。对于CSD，需要290mA的栅极电流设置（ROUTREF值为6.8 Ω）。对于使用VSD的1200V、55A SiC-MOSFET，需要27Ω的栅极电阻才能将dv/dt限制在5V/ns，对于电流源极驱动器，需要290mA的栅极电流设置（ROUTREF值为6.8 Ω）。图5显示了SiC和IGBT的CSD和VSD的导通能量损耗比较，其中任何负载下的最大dv/dt限制为约5V/ns。
对于基于IGBT的解决方案，使用CSD和VSD的导通损耗在低负载（0.5mJ）开始时值大致相似，但在高负载下，使用CSD的损耗降低了22%。同样，对于基于 SiC 的解决方案，CSD 和 VSD 的开启损耗均为 0.25mJ，但在高负载下，使用 CSD 可将损耗降低 26%。综上所述，CSD可以在高负载条件下使用CSD来降低导通损耗，因为它们能够在任何负载下保持恒定的dv/dt。显然，在慢速开关应用中使用 CSD 时，这是一个优势。
结论：
在传统的栅极驱动器中，栅极电阻用于限制功率半导体的开关速度，换向时的dv/dt与负载电流密切相关。另一方面，使用电流源驱动器可以在整个负载范围内实现恒定的dv/dt。ROHM 的新型隔离式栅极驱动器 BM60059FV-C 在开启时提供此功能。实验验证表明，在高负载范围和低开关速度（《5V/ns）下，SiC-MOSFET或IGBT的电流源驱动与传统方法相比，导通损耗降低了26%。在电机驱动器等应用中，dv/dt 通常限制为 5V/ns，电流源驱动器可提高效率并提供有前途的解决方案。
