柵極驅(qū)動芯片最大開關(guān)頻率的估算方法

最大開關(guān)頻率是柵極驅(qū)動芯片的重要性能指標(biāo)，其表現(xiàn)會受到驅(qū)動芯片的封裝、負(fù)載條件、散熱等多方面因素的制約。此外，如果半橋驅(qū)動集成了自舉二極管，功耗的計算方式也會有所不同。本應(yīng)用手冊以NSD1026V為例，詳細(xì)說明了柵極驅(qū)動芯片在不同條件下最大開關(guān)頻率的估算方法及相關(guān)注意事項。

NSD1026V是一款雙通道、非反相、高速、低側(cè)的柵極驅(qū)動器，此產(chǎn)品能夠有效地驅(qū)動MOSFET/IGBT。為了增加穩(wěn)定耐用性， NSD1026V在輸入引腳上增加耐負(fù)壓 –10V的能力。NSD1026V能夠提供高達 ±5A峰值拉灌電流的能力，此器件還具有軌到軌驅(qū)動能力和典型值為 19ns 的極小傳播延遲。

NSD1026V功能框圖

01驅(qū)動損耗計算

驅(qū)動芯片的最大開關(guān)頻率與芯片功耗以及散熱能力有關(guān)，估算驅(qū)動芯片的最大開關(guān)頻率，首先需要計算芯片的功耗。下面以NSD1026V為例，說明低邊驅(qū)動芯片的損耗計算過程。

應(yīng)用中柵極驅(qū)動帶來的損耗，包括驅(qū)動芯片帶來的損耗PGD以及來自外圍電路的驅(qū)動損耗，而驅(qū)動芯片的損耗PGD主要由兩部分組成。

第一部分是驅(qū)動器靜態(tài)功耗損耗PGQ，由驅(qū)動芯片的靜態(tài)功耗和在一定開關(guān)頻率下工作的自功耗組成。這部分功耗的測試方法是，在OUTA和OUTB引腳空載情況下，INA和INB給定PWM信號，可以測試得到在固定供電電壓VDD下的功耗PGQ。

在NSD1026V (NSD1026V-Q1)的Datasheet中提供了VDD=12V，開關(guān)頻率為500kHz的空載動態(tài)電流IGQ（為了區(qū)別于動態(tài)功耗，這里的命名進行更改）。因此，靜態(tài)功率損耗PGQ可以用下面的公式進行計算：

圖1.1

下圖給出了NSD1026V的空載動態(tài)電流IGQ與開關(guān)頻率fSW以及供電電壓VDD的關(guān)系曲線，可以用作補充說明。

圖1.2

驅(qū)動動態(tài)功率損耗的產(chǎn)生是由于驅(qū)動芯片在每個周期內(nèi)對負(fù)載進行充電和放電，與驅(qū)動負(fù)載情況、開關(guān)頻率fSW以及供電電壓VDD有關(guān)。對于雙通道低邊驅(qū)動NSD1026V而言，由負(fù)載切換引起的動態(tài)功耗可以按照下面的公式進行計算：

其中，QG是功率晶體管的柵極電荷。

第二部分的驅(qū)動芯片的動態(tài)功耗PGO是驅(qū)動動態(tài)總功耗PGOA的一部分，如果外部柵極驅(qū)動電阻為0，則動態(tài)功耗PGO等于驅(qū)動動態(tài)功耗PGOA，即所有驅(qū)動損耗都消耗在NSD1026V的內(nèi)部。如果存在外部驅(qū)動電阻，則總功耗消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的MOS等效開通電阻以及外部驅(qū)動電阻之間。這里特別說明的是，如果驅(qū)動輸出和吸收電流沒有達到飽和電流，MOS的開通電阻都是線性且固定的電阻；如果輸出和吸收電流達到飽和，MOS的開通電阻將是非線性的；這兩種情況下的動態(tài)功耗是不一樣的。

當(dāng)輸出和吸收電流沒有達到飽和電流時，動態(tài)功耗PGO的計算公式如下：

其中，ROH和ROL是NSD1026V輸出結(jié)構(gòu)的MOS的等效開通電阻，可以從Datasheet中查詢得到，如圖1.4；RON和ROFF是驅(qū)動開通和關(guān)斷電阻；RFET是功率晶體管的內(nèi)部柵極電阻。

圖1.3 驅(qū)動芯片輸出上下拉電阻

（來自NSD1026V Datasheet）

當(dāng)輸出和吸收電流達到飽和電流時，動態(tài)功耗PGO的計算公式如下：

其中，VOUTA/B是OUTA和OUTB引腳在開通和關(guān)斷過程中的電壓，TRSYS和TFSYS是實際應(yīng)用中的開通和關(guān)斷時間，ISRC和ISNK為芯片輸出引腳內(nèi)部MOS的飽和電流，可以從數(shù)據(jù)手冊中查詢得到。

圖1.4 驅(qū)動芯片Peak Current

（來自NSD1026V Datasheet）

在一些情況下，可能某一個通道輸出/吸收電流飽和，而另一個不飽和，可以根據(jù)情況調(diào)整動態(tài)功耗的計算表達式。

結(jié)合上面的計算，驅(qū)動芯片的損耗為：

02最大開關(guān)頻率估算

芯片工作的最大開關(guān)頻率受限于芯片的結(jié)溫，在Datasheet中有明確的推薦工作結(jié)溫范圍，如圖2.1所示。NSD1026V的推薦結(jié)溫范圍為-40~125°C，當(dāng)超出推薦工作溫度范圍時，可能影響芯片的壽命以及工作性能。而為了判斷芯片的結(jié)溫，可以利用Datasheet中提供的熱阻參數(shù)，如圖2.2所示。

圖2.1 推薦工作范圍（來自NSD1026V Datasheet）

圖2.2 熱阻參數(shù)（來自NSD1026V Datasheet）

（未完待續(xù)）