一文读懂栅极驱动

一、什么是栅极驱动器

           『功率 MOSFET 是一种电压控制型器件，可用作电源电路、电机驱动器和其他系统中的开关元件。栅极是每个器件的电气隔离控制端。MOSFET 的其他端子是源极和漏极。为了操作 MOSFET，通常须将一个电压施加于栅极（相对于源极或发射极）。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。栅极驱动器用于导通和关断功率器件。为此，栅极驱动器对功率器件的栅极充电，使其达到最终的导通电压 VGS(ON)，或者驱动电路使栅极放电到最终的关断电压 VGS(OFF)。为了实现两个栅极电压电平之间的转换，栅极驱动器、栅极电阻和功率器件之间的环路中会产生一些功耗。

           如今，用于中低功率应用的高频转换器主要利用栅极电压控制器件，如 MOSFET。对于高功率应用，当今使用的最佳器件是碳化硅 (SiC) MOSFET，快速导通/关断这种功率开关需要更高的驱动电流。栅极驱动器不仅适用于 MOSFET，而且适用于宽禁带中目前只有少数人知道的新型器件，如碳化硅 (SiC) FET 和氮化镓 (GaN) FET。它是一种功率放大器，可以接受控制器 IC 的功率输入，并产生适当的大电流以驱动功率开关器件的栅极。

           但是为什么要使用微控制器来驱动功率晶体管呢？为了更好地回答这个问题，我们来考虑一下大型的应用。开关电源是几乎每一个现代电气系统的核心。任何插到壁式插座上的设备都可以利用开关电源来进行功率因数校正和生成直流电流轨。汽车系统使用开关电源来维持电池、马达和充电器等系统。电网基础设施要求高效率地转换直流太阳能电池板提供的开关电能，从而将电能传输到直流存储系统和交流电网。由于应用中存在大量拓扑且复杂性日益升高，对于高功率晶体管阵列，现代开关电源通常使用微控制器或其他 ASIC 来协调其开关，以满足精确的开关计时要求。这可能会带来挑战，因为大多数微控制器输出并没有针对驱动功率晶体管进行优化，以下简单总结了使用栅极驱动器的原因：』（作者：封狼居胥；出处：https://zhuanlan.zhihu.com/p/646788319）

• 栅极驱动阻抗

           『栅极驱动器的功能是导通和关断功率器件（通常很快）以减少损耗。为了避免米勒效应或在某些负载下的慢速开关所导致的交叉导通损耗，驱动器必须以比相对晶体管上的导通状态驱动更低的阻抗建立关断状态。负栅极驱动裕量对于减少这些损耗起着重要作用。

• 源极电感

           这是栅极驱动器电流环路和输出电流环路共享的电感。负栅极驱动电压裕量与源极引线电感相结合，会对负载下输出的开关速度产生直接影响，这是源极电感的源极退化效应（源极引线电感将输出开关电流耦合回栅极驱动，从而减缓栅极驱动）造成的。

           栅极驱动器在功率 MOSFET 的栅极 (G) 和源极 (S) 之间施加电压信号 (VGS)，同时提供一个大电流脉冲，如图所示。』（作者：Zark Ray；出处：https://zhuanlan.zhihu.com/p/611593829）

二、栅极驱动器分类与优点分析

           『广义地说，这些栅极驱动器分为两类：非隔离式栅极驱动器和隔离式栅极驱动器。大多数用于在高电压下运行的非隔离式栅极驱动器都是半桥驱动器。

           半桥驱动器旨在驱动以半桥配置堆叠在一起的功率晶体管。它们有两个通道：低侧和高侧。低侧是一个相当简单的缓冲器，通常与控制输入具有相同的接地点。而高侧则是经过精心设计且以半桥的开关节点为基准，从而允许使用两个 N 沟道 MOSFET 或两个 IGBT。开关节点应该在高电压总线和电源接地之间快速过渡，从而让我们有机会以具有成本效益的方式利用与为低侧供电时相同的电源通过自举电路为高侧供电。为了传达输出应为高电平还是低电平，必须包含一个高电压电平转换器，该转换器的泄漏电流通常较小，只有几微安或更小。

           这种类型的栅极驱动器具有很多局限性。首先，因为它整体都在同一硅片上，因此，无法超出硅的工艺极限。大多数非隔离式栅极驱动器的工作电压都不超过 700V。第二，电平转换器必须承受高电压运行的压力，且必须在高噪声环境中传达输出状态。因此，为了实现充足的噪声滤波，电平转换器通常会添加一些传播延迟。然后，低侧的驱动器又要与高侧驱动器的较长延迟相匹配。第三，用于在高电压下运行的非隔离式栅极驱动器不够灵活。现在存在许多复杂的拓扑，它们要求多个输出能够转换至控制公共端电平以上或以下。

           在现代栅极驱动器中越来越常见的特性是在输入和输出电路之间集成了隔离层。这些器件将一个硅片用于控制信号，另一个用于输出驱动信号，并通过距离和绝缘材料对其进行物理隔离。控制信号在传输过程中可通过多种方式穿过隔离层，但是，与非隔离式栅极驱动器不同的是，隔离层可防止任何显著的泄漏电流从隔离层的一侧流向另一侧。由于一个输入裸片可与多个输出裸片隔离，而输出裸片之间又可以彼此隔离，因此输出公共端可以自由地从输入公共端或其他输出公共端向上偏移，直至达到隔离技术的极限。

           与具有不灵活的电平转换器和预定输出角色的非隔离式栅极驱动器不同的是，隔离式栅极驱动器的输出可以以电路中的任何节点为基准，且可以构造为单通道或双通道器件。隔离技术的极限远远高于非隔离式栅极驱动器的硅工艺限制，可提供耐受力高于 5 千伏的隔离层。除了提高电压上限和灵活性之外，隔离式栅极驱动器还可以用于实现更快速、更稳健的运行。使用隔离的原因有很多。许多应用都因为监管要求而需要使用隔离式电源，并且隔离式栅极驱动器可以用来简化系统结构。有时，隔离层的强度还可以用来增强系统抵抗浪涌、雷击和其他有可能损坏系统的异常事件的能力。

           在其他情况下，通过灵活地使用隔离层可以简化拓扑的设计，从而无需再使用信号转换器或电平转换器，如反相降压/升压。即使是在并不严格要求进行隔离的传统半桥应用中，隔离式栅极驱动器也可以凭借优异的传播延迟、较高的驱动力和对高电压瞬态的更出色承受力而胜过非隔离式栅极驱动器。』（作者：封狼居胥；出处：https://zhuanlan.zhihu.com/p/646788319）

 三、参考资料
【1】 使用隔离式栅极驱动器的设计指南：https://zhuanlan.zhihu.com/p/611593829
【2】 栅极驱动器的原理：https://zhuanlan.zhihu.com/p/646788319

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