柵極驅(qū)動器的原理介紹

什么是柵極驅(qū)動器？

簡單來說，柵極驅(qū)動器是一個用于放大來自微控制器或其他來源的低電壓或低電流的緩沖電路。在某些情況下，例如驅(qū)動用于數(shù)字信號傳輸?shù)倪壿嬰娖骄w管時，使用微控制器輸出不會損害應用的效率、尺寸或熱性能。在高功率應用中，微控制器輸出通常不適合用于驅(qū)動功率較大的晶體管。

但是為什么要使用微控制器來驅(qū)動功率晶體管呢？為了更好地回答這個問題，我們來考慮一下大型的應用。開關電源是幾乎每一個現(xiàn)代電氣系統(tǒng)的核心。任何插到壁式插座上的設備都可以利用開關電源來進行功率因數(shù)校正和生成直流電流軌。汽車系統(tǒng)使用開關電源來維持電池、馬達和充電器等系統(tǒng)。電網(wǎng)基礎設施要求高效率地轉(zhuǎn)換直流太陽能電池板提供的開關電能，從而將電能傳輸?shù)街绷鞔鎯ο到y(tǒng)和交流電網(wǎng)。

由于應用中存在大量拓撲且復雜性日益升高，對于高功率晶體管陣列，現(xiàn)代開關電源通常使用微控制器或其他ASIC來協(xié)調(diào)其開關，以滿足精確的開關計時要求。這可能會帶來挑戰(zhàn)，因為大多數(shù)微控制器輸出并沒有針對驅(qū)動功率晶體管進行優(yōu)化。

高功率晶體管與模擬信號鏈或數(shù)字邏輯電路中的其他晶體管的特性幾乎完全不同。功率晶體管的擊穿電壓的分布范圍極大，從大約40伏到1,200伏甚至更高。由于需要實現(xiàn)較高的漏極電路和較低的導通損耗，漏源電阻需要低至幾十毫歐姆甚至更小。與漏源電阻成反比的柵極電容通常超過10,000pF。柵極驅(qū)動電壓和電流要求在很大程度上取決于晶體管結(jié)構(gòu)和漏極電流額定值，其常見值在8至30伏和1至5安培之間。高噪聲環(huán)境甚至可能需要雙極輸出驅(qū)動。

與頻率為幾十或幾百兆赫的信號鏈或數(shù)字晶體管相比，傳統(tǒng)高功率晶體管的頻率上限只有幾百千赫，隨著新技術的出現(xiàn)，有可能會將該上限推高一個數(shù)量級。這種頻率限制是由于增高的柵極電容和驅(qū)動電壓要求造成的。電容器的能量等于1/2乘以電容再乘以電壓的平方。柵極電容的充放電功耗等于電容器的能量乘以頻率的兩倍--一次充電，一次放電。具有15納法柵極電容的功率晶體管在200千赫、12伏方波驅(qū)動條件下需要近半瓦的功耗。對于可傳輸3至5千瓦電力的轉(zhuǎn)換器，提高開關頻率所帶來的好處，比如減小磁體的尺寸和重量，有時要比幾瓦驅(qū)動損耗的成本更有價值。

在決定晶體管的驅(qū)動要求的元素中，還有一種更為棘手的損耗源。在柵極電容充放電過程中，開關會在全開和全關狀態(tài)之間存在一個過渡期，此時開關上會出現(xiàn)電壓，且會有電流流過開關。由于同時存在較高的電壓和較高的電流，因此這類開關損耗會造成相當大的功耗，有時會達到幾十瓦，以及進一步的效率降級。因此，通過更快地對柵極電容進行充放電來縮短過渡期的持續(xù)時間是有好處的。

如果輸出電壓甚至高到足以使晶體管導通，那么大多數(shù)微控制器提供的低電流信號在驅(qū)動高功率晶體管時都會慢得令人發(fā)指，效率極低。

現(xiàn)在我們來回答什么是柵極驅(qū)動器這個問題，柵極驅(qū)動器是一個用于放大來自微控制器或其他來源的控制信號，從而使其適應半導體開關的有效和高效運行的電路。

有許多柵極驅(qū)動器都可以在承受高偏置電壓的情況下工作，例如高功率轉(zhuǎn)換器中使用的那些。

柵極驅(qū)動器分類與優(yōu)點分析

廣義地說，這些柵極驅(qū)動器分為兩類：非隔離式柵極驅(qū)動器和隔離式柵極驅(qū)動器。大多數(shù)用于在高電壓下運行的非隔離式柵極驅(qū)動器都是半橋驅(qū)動器。

半橋驅(qū)動器旨在驅(qū)動以半橋配置堆疊在一起的功率晶體管。它們有兩個通道：低側(cè)和高側(cè)。低側(cè)是一個相當簡單的緩沖器，通常與控制輸入具有相同的接地點。而高側(cè)則是經(jīng)過精心設計且以半橋的開關節(jié)點為基準，從而允許使用兩個N溝道MOSFET或兩個IGBT。開關節(jié)點應該在高電壓總線和電源接地之間快速過渡，從而讓我們有機會以具有成本效益的方式利用與為低側(cè)供電時相同的電源通過自舉電路為高側(cè)供電。為了傳達輸出應為高電平還是低電平，必須包含一個高電壓電平轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的泄漏電流通常較小，只有幾微安或更小。

這種類型的柵極驅(qū)動器具有很多局限性。首先，因為它整體都在同一硅片上，因此，無法超出硅的工藝極限。大多數(shù)非隔離式柵極驅(qū)動器的工作電壓都不超過700伏。第二，電平轉(zhuǎn)換器必須承受高電壓運行的壓力，且必須在高噪聲環(huán)境中傳達輸出狀態(tài)。因此，為了實現(xiàn)充足的噪聲濾波，電平轉(zhuǎn)換器通常會添加一些傳播延遲。然后，低側(cè)的驅(qū)動器又要與高側(cè)驅(qū)動器的較長延遲相匹配。第三，用于在高電壓下運行的非隔離式柵極驅(qū)動器不夠靈活。現(xiàn)在存在許多復雜的拓撲，它們要求多個輸出能夠轉(zhuǎn)換至控制公共端電平以上或以下。

在現(xiàn)代柵極驅(qū)動器中越來越常見的特性是在輸入和輸出電路之間集成了隔離層。這些器件將一個硅片用于控制信號，另一個用于輸出驅(qū)動信號，并通過距離和絕緣材料對其進行物理隔離。控制信號在傳輸過程中可通過多種方式穿過隔離層，但是，與非隔離式柵極驅(qū)動器不同的是，隔離層可防止任何顯著的泄漏電流從隔離層的一側(cè)流向另一側(cè)。由于一個輸入裸片可與多個輸出裸片隔離，而輸出裸片之間又可以彼此隔離，因此輸出公共端可以自由地從輸入公共端或其他輸出公共端向上偏移，直至達到隔離技術的極限。

與具有不靈活的電平轉(zhuǎn)換器和預定輸出角色的非隔離式柵極驅(qū)動器不同的是，隔離式柵極驅(qū)動器的輸出可以以電路中的任何節(jié)點為基準，且可以構(gòu)造為單通道或雙通道器件。隔離技術的極限遠遠高于非隔離式柵極驅(qū)動器的硅工藝限制，可提供耐受力高于5千伏的隔離層。除了提高電壓上限和靈活性之外，隔離式柵極驅(qū)動器還可以用于實現(xiàn)更快速、更穩(wěn)健的運行。使用隔離的原因有很多。許多應用都因為監(jiān)管要求而需要使用隔離式電源，并且隔離式柵極驅(qū)動器可以用來簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。有時，隔離層的強度還可以用來增強系統(tǒng)抵抗浪涌、雷擊和其他有可能損壞系統(tǒng)的異常事件的能力。

在其他情況下，通過靈活地使用隔離層可以簡化拓撲的設計，從而無需再使用信號轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器，如反相降壓/升壓。即使是在并不嚴格要求進行隔離的傳統(tǒng)半橋應用中，隔離式柵極驅(qū)動器也可以憑借優(yōu)異的傳播延遲、較高的驅(qū)動力和對高電壓瞬態(tài)的更出色承受力而勝過非隔離式柵極驅(qū)動器。

使用隔離式柵極驅(qū)動器的常用拓撲包括牽引逆變器、電機驅(qū)動器、三相功率因數(shù)校正電路和串式光伏逆變器。這些拓撲都在交流和直流電源之間轉(zhuǎn)換，直接與高電壓直流總線和電機或電網(wǎng)等三相系統(tǒng)相連。

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