[FAQ] [参考译文] [常见问题解答] UCC53XX：UCC53XX 系列的分离输出与单输出

UCC53x0系列为设计人员提供具有不同输出电流选项的分离输出和单输出。 UCC53x0有三种型号，但本常见问题解答将重点介绍‘S’和‘E’版本。 UCC53x0S 提供分离输出、而 UCC53x0E 提供以 GND2为基准的 UVLO、并提供单输出。 UCC5390的 S 和 E 版本都具有相同的输出驱动强度。 此常见问题解答讨论了在栅极电压、栅极电流和功率耗散方面、分离输出和单输出之间的相似性和差异。

使用 PSpice for TI 进行了仿真、以测量 S 和 E 版本的电压、电流和功率耗散、具体规格如下：

• 电源电压：+15V、0V
• 栅极电阻器：(1欧姆、2.5欧姆、5欧姆和10欧姆) Rgoff  为½ Ω 的 Rgon  电阻
• 频率：10kHz

外部栅极驱动电阻器的选择在栅极驱动器行为中发挥着至关重要的作用、例如限制噪声和振铃。 此外、栅极电阻器对于限制来自栅极驱动器的峰值电流非常重要、以便控制其驱动的 IGBT 或 MOSFET 的压摆率。 外部栅极驱动电阻器的选择将影响三个方面：驱动电流、栅极驱动功率耗散以及上升和下降时间。 E 版和 S 版之间的主要区别在于用于开通和关断的栅极电阻器如何从输出端连接到 MOSFET 或 IGBT 的栅极。

栅极电流如何受到栅极电阻的影响？
使用 PSpice for TI、在不同的栅极电阻上测量了 E 版本与 S 版本的驱动电流、如下图所示。 以查看 E 版本和 S 版本之间是否存在任何显著差异。

图1：峰值拉电流与栅极电阻间的关系

从图1可以看出、S 和 E 版本之间的峰值源电流没有明显差异。 栅极电流受外部栅极电阻器的影响最大、此时电阻越大、峰值栅极电流就越低。 数据表第11.2.2.2节中的以下公式解释了当栅极电阻器增大时峰值源极电流减小的原因。 由于外部导通电阻 RON  和功率晶体管内部栅极电阻 RGFET _(INT) 降低了峰值源电流、如下面的公式所示。

• Ronis 是外部导通电阻。
• RGFET_TI 功率晶体管内部栅极电阻、可在功率晶体管数据表中找到。
• IOH 是峰值源电流、它是10A 之间的最小值、栅极驱动器峰值源电流以及基于栅极驱动环路电阻计算得出的值。

图2：灌电流与栅极电阻器间的关系

同样、图2显示了 S 和 E 版本之间的灌电流源电流没有差异。 随着栅极电阻器的增加、绝对灌电流拉低。 下面的公式用于计算灌电流拉电流。 外部关断电阻 ROFF  和功率晶体管内部栅极电阻 RGFET _(INT) 可降低峰值灌电流、如下面的公式所示。

• ROFF是 外部关断电阻。
• IOL 是峰值灌电流、它是10A 之间的最小值、栅极驱动器峰值灌电流以及基于栅极驱动环路电阻计算得出的值。

栅极电阻变化对栅极电阻峰值功率耗散有何影响？

耗散的功率是电流和电压的乘积。 当我们增大栅极电阻器的值时、电流值会减小。 由于功率耗散是电流和电压的乘积、因此功率耗散会随着电流的降低而降低。 下图显示了不同栅极电阻器上的峰值功率耗散、以查看 S 和 E 版本之间的差异。

图3：不同栅极电阻器上的峰值功率耗散

从图3中可以看出、S 和 E 型号之间的峰值功率耗散没有显著差异。 功率耗散受外部栅极电阻器的影响最大、其中电阻越大、功耗越低。

必须注意的是，峰值功率耗散的持续时间随着栅极电阻器的增加而增加，如图4所示。 此外、E 和 S 版本之间的峰值功率耗散持续时间没有显著差异。

图4：功耗持续时间与栅极电阻器变化的关系

E 版本的外部二极管是否会影响总功耗？

UCC53x0E 有一个引脚、这要求客户在输出端需要一个外部二极管来实现单独的导通和关断路径。 表1显示了平均电流、(VCC2、VE2)之间的电压差以及 S 和 E 版本之间通过 IC 芯片消耗的平均功率。

表1：IC 芯片的总平均功耗

二极管规格：

如前所述、E 版本要求客户在输出端添加一个外部二极管、以具有单独的导通和关断路径。 由于在关断区域中需要二极管、因此外部关断电阻(ROFF)会影响流经电阻器的电流。 表2显示了在不同栅极电阻器上测得的反向电压、正向电压和非重复峰值确定正向电流。

表2：栅极电阻器对二极管的影响

因此、在选择二极管时、客户应注意与栅极电阻器相关的二极管规格、额定值和参数。 此外、在选择二极管时、应最大程度地减小正向电压。 正向压降对应于有效关断电压(栅源)的降低。 表3显示了栅极电阻器在1欧姆至10欧姆范围内的二极管额定值。

表3：二极管额定值

XBS104S13R-G 和 MURS160T3G 是满足客户表3中标准的二极管。 XBS104S13R-G 每1ku 的成本为0.17美元、而 MURS160T3G 每1ku 的成本为0.15美元。

要点：

• S 和 E 版本之间在(栅极电压、栅极电流和功率耗散)方面没有显著差异。
• 随着外部栅极驱动电阻器的值增大、栅极电流的值减小。
• 随着外部栅极驱动电阻器的值增大、峰值功率耗散会减小、但峰值功率耗散的持续时间会增加。
• 定制：
  • 分离输出具有两个引脚、可实现单独的导通/关断路径并控制驱动器拉电流/灌电流。
  • 单路输出具有一个引脚、该引脚需要在输出端使用外部二极管来实现单独的导通/关断路径。
• 成本：
  • 为 E 版本添加了二极管、占栅极驱动器的额外成本17.3%|(1ku)。
• 电路板面积
  • 添加的二极管会在电路中占用更多空间

结论：

单路输出栅极驱动器具有一个引脚(VOUT)、这要求客户在输出端添加一个二极管以实现导通和关断。 这会增加物料清单成本、电路板面积、并在栅极环路中增加阻抗。 二极管的正向压降对应于有效关断电压(栅源极)的降低。

而分离输出具有两个引脚、这两个引脚可分离导通和关断路径并控制驱动拉电流/灌电流。 这节省了在输出端使用外部二极管、与单输出栅极驱动器相比、减少了客户的物料清单。