柵極驅(qū)動器 — 功率器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：第 1 部分

有效的 MOSFET/IGBT 器件開關(guān)取決于柵極驅(qū)動器及其電源。

從電源和電機驅(qū)動器到充電站和無數(shù)其他應(yīng)用，硅 （Si）、碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） MOSFET等開關(guān)功率半導(dǎo)體以及絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 是高效電源系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。但是，為了實現(xiàn)功率器件的最大性能，需要合適的柵極驅(qū)動器。

顧名思義，該元件的作用是驅(qū)動功率器件柵極，快速、清晰地將其置于導(dǎo)通模式或?qū)⑵淅鰧?dǎo)通模式。這樣做要求驅(qū)動器能夠拉出或吸收足夠的電流，盡管負載（柵極）存在內(nèi)部器件和雜散（寄生）電容、電感和其他問題。

因此，提供具有適當(dāng)關(guān)鍵屬性的合適尺寸的柵極驅(qū)動器對于實現(xiàn)功率器件的全部潛力和效率至關(guān)重要。然而，為了充分利用柵極驅(qū)動器，設(shè)計人員必須特別注意驅(qū)動器的直流電源，它與功率器件直流電源軌無關(guān)。T

此供應(yīng)類似于傳統(tǒng)供應(yīng)，但有一些重要差異。它可以是更常見的單極電源，但在許多情況下，它是一個非對稱的雙極電源，以及其他功能和結(jié)構(gòu)差異。

從切換設(shè)備開始

圖 1.在截止模式下，MOSFET 漏極-源極路徑看起來像一個開路開關(guān)。（圖片：Quora)

要了解柵極驅(qū)動器 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的作用和所需屬性，首先要從開關(guān)器件開始。對于作為開關(guān)器件的 MOSFET，柵極-源極路徑用于控制器件的導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)（IGBT 類似）。當(dāng)柵源電壓小于閾值電壓 （VGS系列< VTH 系列），MOSFET 處于其截止區(qū)域，沒有漏極電流流過，ID= 0 安培 （A），MOSFET 顯示為“開路開關(guān)”，如圖 1 所示。

相反，當(dāng)柵源電壓遠大于閾值電壓 （VGS系列> VTH 系列），則 MOSFET 處于飽和區(qū)域，最大漏極電流流過 （ID= VDD 系列/RL），MOSFET 顯示為低電阻“閉合開關(guān)”，如圖 2 所示。

圖 2.在飽和模式下，MOSFET 漏極-源極路徑看起來像一個低電阻開關(guān)。（圖片：Quora)

對于理想的 MOSFET，漏源電壓為零 （VDS 系列= 0 伏），但在實踐中為 VDS 系列由于內(nèi)部導(dǎo)通電阻 R 的原因，通常約為 0.2 VDS（開），通常低于 0.1 歐姆 （Ω），可低至幾十毫歐姆。

雖然原理圖顯示施加到柵極的電壓似乎會打開和關(guān)閉 MOSFET，但這只是故事的一部分。該電壓將電流驅(qū)動到 MOSFET 中，直到有足夠的累積電荷來將其導(dǎo)通。根據(jù)開關(guān)驅(qū)動器的尺寸（額定電流）和類型，快速轉(zhuǎn)換到完全導(dǎo)通狀態(tài)所需的電流量可能低至幾毫安 （mA） 到幾安培 （A）。

圖 3.此 MOSFET 模型顯示了寄生電容和電感，它們對驅(qū)動器性能產(chǎn)生不利影響和挑戰(zhàn)。（圖片：Texas Instruments）)

柵極驅(qū)動器的功能是將足夠的電流快速、清脆地驅(qū)動到柵極中以導(dǎo)通 MOSFET，并以相反的方式將電流拉出以關(guān)閉 MOSFET。更正式地說，柵極需要由低阻抗源驅(qū)動，該源能夠提供和吸收足夠的電流，以提供控制電荷的快速插入和提取。

如果 MOSFET 柵極看起來像一個純電阻負載，那么拉出和吸收該電流將相對簡單。然而，MOSFET 具有內(nèi)部電容和電感寄生元件，驅(qū)動器和功率器件之間的互連也存在寄生效應(yīng)，如圖 3 所示。

結(jié)果是柵極驅(qū)動信號在閾值電壓附近振鈴，導(dǎo)致器件在其軌跡上一次或多次打開和關(guān)閉，以完全打開或關(guān)閉;這有點類似于圖 4 中所示的機械開關(guān)的 “switch bounce”。

圖 4.由于 MOSFET 負載中的寄生效應(yīng)而導(dǎo)致的驅(qū)動器輸出振鈴會導(dǎo)致振鈴和誤觸發(fā)，類似于機械開關(guān)反彈。（圖片來源：Learn About Electronics)

其后果包括未被注意或只是在臨時應(yīng)用中令人討厭（例如打開或關(guān)閉燈），一直到可能損壞電源、電機驅(qū)動器和類似子系統(tǒng)中廣泛使用的脈寬調(diào)制 （PWM） 快速開關(guān)電路。

圖 5.與 Q1 和 Q4（左）或 Q2 和 Q3（右）的正常 MOSFET 導(dǎo)通相比，如果由于驅(qū)動器問題或其他原因而同時導(dǎo)通電橋的 Q1 和 Q2（或 Q3 和 Q4），則電源軌和接地之間將出現(xiàn)不可接受且可能具有破壞性的短路情況，稱為擊穿。（圖片：Quora)

在標(biāo)準(zhǔn)半橋和全橋拓撲中，如果橋同一側(cè)的兩個 MOSFET 同時導(dǎo)通，即使是瞬間，負載也放置在上下 MOSFET 對之間，這可能會導(dǎo)致短路甚至永久性損壞。這種現(xiàn)象稱為“擊穿”，如圖 5 所示。

下一部分將探討 gate driver 的細節(jié)和影響。