电流源型驱动芯片——电机驱动的神助攻

损耗太大，开关dvdt过快，EMC过不了……这些都是设计电机驱动时常遇见的问题，而且它们还此消彼长。工程师们一般是根据实际应用情况做着取舍。如果有办法在轻载时以忽略不计的开通损耗增加来减小开关速度，而在重载时通过不减小开关速度来减小开通损耗，那就可以达到更理想的驱动效果。

英飞凌电流源型驱动芯片，一种非常适合电机驱动方案的产品，将同时实现高效率和低EMI成为可能。它是基于英飞凌无核变压器技术平台的隔离性驱动芯片，能精准地实时控制开通时的dv/dt。下面我们来仔细地看看它到底有什么与众不同之处。

对于门极压控器件IGBT而言，集成驱动芯片使用非常多见。传统的电压源型的驱动芯片是通过调节门极电阻，以电压不变的方式对功率器件门极电荷进行充电。而电流源型的驱动芯片则是通过内部的恒流源（电流值可调）对门极充电，使得在不同负载条件下开通过程dv/dt和di/dt变得更平稳。

图1是电压源型驱动的一个典型开通过程，可以分成三个部分来看：

图1 典型的电压型驱动开通过程

在第二阶段，门极的米勒平台电压的大小和负载电流是相关的，这是由器件的转移特性决定的。电流越大米勒电压也高，充电电流就小，dVce/dt自然慢了，和大电流本身一起导致了开通损耗增加。反过来，小电流时米勒电压低，充电电流大，dVce/dt快，容易产生EMI问题。从电机驱动系统的角度来看，选择合适的电阻来限制过快的dv/dt是最简单有效的方法，即使会增加重载时的损耗。

而电流源型驱动能做的正是在第二阶段，基于门极电流恒流不受负载电流控制，来实现相对稳定的dVce/dt。而且因为此恒流值可在开关中调整，这让进一步优化开通损耗成为可能。电流源型驱动芯片的驱动门极电压电流如图2所示，绿色是门极电压，蓝色是门极电流。135ns是固定的预充电阶段，充值电流要根据后级不同的功率器件进行计算设置，准则是尽可能减小开通延时，但此阶段IGBT不能开始开通。在不到25ns的系统延时后，门极进入恒流输出模式，直到完成米勒阶段，恒流的大小一般根据需要的dv/dt进行设置，有11个百分比挡位选择。如图3和表1所示。

图2 电流源型驱动芯片的驱动门极电压电流

图3 11级门极开通电流

表1 11级门极开通电流百分比

最后来一起看一下测试结果，我们以FF1200R12IE5模块作为测试对象，选配英飞凌的电流型驱动芯片1EDS20I12SV，同样的IGBT模块也用了普通电压源型的驱动作为对比，图4是两者PCB的外观。图5是电流源型驱动芯片在不同输出电流下，使用各级控制所展现出的dv/dt。可以看出即使用同一个等级不作切换，dv/dt的表现依然比较平稳。而不像用单一的门极电阻驱动时，dv/dt变化很大，如图6所示。

图4 电流源型驱动板（左图）

电压源型驱动板（右图）

图5 电流源型驱动dv/dt表现 

图6 电压源型驱动dv/dt表现

而且电流源型的驱动在负载电流变大的情况下，开通损耗的上升速度也较慢，如图7、8是两种驱动器开通损耗随电流的变化趋势。可以看出，在小电流时两者的损耗差不多，都很小。而当电流变大后，电压源型的驱动开通损耗的增加速度远超电流源型驱动。比如在1200A时，用第5级门极电流和用2.2ohm的门极电阻，前者开通损耗至于后者的大约41%。

图7 电流源型驱动开通损耗

图8 电压源型驱动开通损耗

电流源型驱动抗外界dv/dt能力更高，在系统杂散参数大的情况下更不容易受干扰。由于是恒流控制，在各种负载电流下，dv/dt表现得更平稳。而且在兼顾EMC的同时开通损耗得到了非常好的优化。这款芯片的恒流控制在不同温度下都很稳定，这样又避免了传统IGBT在高温时损耗增加得过快而影响效率。

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