IGBT/功率MOSFET是一種電壓控制器件，用作電源電路和電機(jī)驅(qū)動器等系統(tǒng)中的開關(guān)元件。柵極是每個設(shè)備的電氣隔離控制端子。 MOSFET的其他端子是源極和漏極，對于IGBT，它們被稱為集電極和發(fā)射極。為了工作MOSFET/IGBT，通常必須向柵極施加相對于器件源極/發(fā)射極的電壓。專用驅(qū)動器用于向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。本文討論這些柵極驅(qū)動器是什么，為什么需要它們，以及如何定義它們的基本參數(shù)，如時序、驅(qū)動強(qiáng)度和隔離度。

需要柵極驅(qū)動器

IGBT/功率MOSFET的結(jié)構(gòu)使得柵極形成非線性電容器。對柵極電容充電會使功率器件導(dǎo)通并允許電流在其漏極和源極端子之間流動，而放電時，它會關(guān)閉器件，然后可能會在漏極和源極端子上阻塞大電壓。柵極電容充電且器件幾乎可以導(dǎo)通時的最小電壓是閾值電壓（V千).對于將 IGBT/功率 MOSFET 用作開關(guān)，電壓要大于 V千應(yīng)應(yīng)用于柵極和源極/發(fā)射極之間。

考慮一個帶有微控制器的數(shù)字邏輯系統(tǒng)，該微控制器可以在其中一個I/O引腳上輸出0 V至5 V的PWM信號。該PWM不足以完全打開電源系統(tǒng)中使用的功率器件，因為其過驅(qū)動電壓通常超過標(biāo)準(zhǔn)CMOS/TTL邏輯電壓。因此，在邏輯/控制電路和高功率器件之間需要一個接口。這可以通過驅(qū)動邏輯電平n溝道MOSFET來實現(xiàn)，而邏輯電平n溝道MOSFET又可以驅(qū)動功率MOSFET，如圖1a所示。

圖1.采用反相邏輯驅(qū)動的功率 MOSFET。

如圖 1a 所示，當(dāng) IO1發(fā)出低信號，VGSQ1< VTHQ1因此，MOSFET Q1仍然關(guān)閉。因此，在功率MOSFET Q的柵極處施加正電壓2.Q的柵極電容2（CGQ2） 通過上拉電阻 R 充電1并將柵極電壓拉至V的軌電壓DD.給定 VDD> VTHQ2/ 22打開并可以傳導(dǎo)。當(dāng) IO1輸出高電平，Q1打開和 CGQ2通過 Q 放電1.VDSQ1~ 0 V 使得 VGSQ2< VTHQ2因此，Q2關(guān)閉。此設(shè)置的一個問題是 R 中的功耗1在 Q 狀態(tài)期間1.為了克服這個問題，pMOSFET Q3可用作上拉，以與Q互補(bǔ)的方式運行1，如圖1b所示。 PMOS具有低導(dǎo)通電阻，并且在關(guān)斷狀態(tài)下具有非常高的電阻，因此大大降低了驅(qū)動電路中的功耗。為了控制柵極轉(zhuǎn)換期間的邊沿速率，在Q漏極之間外部增加了一個小電阻1和Q之門2.使用MOSFET的另一個優(yōu)點是易于在芯片上制造它，而不是制造電阻器。這種用于驅(qū)動電源開關(guān)柵極的獨特接口可以以單片IC的形式創(chuàng)建，該IC接受邏輯電平電壓并產(chǎn)生更高的功率輸出。該柵極驅(qū)動器IC幾乎總是具有額外的內(nèi)部電路以實現(xiàn)更大的功能，但它主要用作功率放大器和電平轉(zhuǎn)換器。

柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)

驅(qū)動強(qiáng)度：

提供適當(dāng)柵極電壓的問題通過使用執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換器工作的柵極驅(qū)動器來解決。但是，柵極電容器不能瞬時改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限開關(guān)間隔。在開關(guān)過程中，器件可能處于高電流和高電壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致熱量形式的功耗。因此，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要快速，以最大限度地減少切換時間。為此，需要高瞬態(tài)電流來快速對柵極電容進(jìn)行充電和放電。

數(shù)字。2. MOSFET 導(dǎo)通過渡，無需柵極驅(qū)動器

能夠在較長時間內(nèi)供應(yīng)/吸收更高柵極電流的驅(qū)動器產(chǎn)生較短的開關(guān)時間，從而降低其驅(qū)動的晶體管內(nèi)的開關(guān)功率損耗。

圖3.MOSFET 通過柵極驅(qū)動器導(dǎo)通過渡。

微控制器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通常高達(dá)數(shù)十毫安，而柵極驅(qū)動器可以提供更高的電流。在圖2中，當(dāng)功率MOSFET由微控制器I/O引腳在其最大額定源電流下驅(qū)動時，觀察到較長的開關(guān)間隔。如圖3所示，使用隔離式柵極驅(qū)動器ADuM4121可顯著縮短轉(zhuǎn)換時間，該驅(qū)動器提供比微控制器I/O引腳高得多的驅(qū)動電流，驅(qū)動相同功率的MOSFET。在許多情況下，直接使用微控制器驅(qū)動更大功率的MOSFET/IGBT可能會過熱并損壞控制，因為數(shù)字電路中可能存在電流過敏。具有更高驅(qū)動能力的柵極驅(qū)動器可實現(xiàn)快速開關(guān)，上升和下降時間為幾納秒。這降低了開關(guān)功率損耗，使系統(tǒng)更加高效。因此，驅(qū)動電流通常被認(rèn)為是選擇柵極驅(qū)動器的重要指標(biāo)。

與驅(qū)動電流額定值對應(yīng)的是漏源導(dǎo)通電阻（RDS（ON）） 的柵極驅(qū)動器。雖然理想情況下 RDS（ON）MOSFET 在完全導(dǎo)通時的值應(yīng)為零，由于其物理結(jié)構(gòu)，它通常在幾歐姆的范圍內(nèi)。這考慮了從漏極到源極的電流路徑中的總串聯(lián)電阻。

RDS（ON）是柵極驅(qū)動器最大驅(qū)動強(qiáng)度額定值的真正基礎(chǔ)，因為它限制了驅(qū)動器可以提供的柵極電流。RDS（ON）的內(nèi)部開關(guān)決定灌電流和拉電流，但外部串聯(lián)電阻用于降低驅(qū)動電流，從而影響邊沿速率。如圖4所示，高端導(dǎo)通電阻和外部串聯(lián)電阻R內(nèi)線在充電路徑中形成柵極電阻，低側(cè)導(dǎo)通電阻與R內(nèi)線在放電路徑中形成柵極電阻。

圖4.具有MOSFET輸出級和功率器件作為電容器的柵極驅(qū)動器的RC電路模型。

RDS（ON）還直接影響驅(qū)動器內(nèi)部的功耗。對于特定的驅(qū)動電流，較低的值為RDS（ON）允許更高的R內(nèi)線要使用的。由于功耗分布在R之間內(nèi)線和 RDS（ON），R 的值越高 內(nèi)線意味著更多的功率耗散在驅(qū)動器外部。因此，為了提高系統(tǒng)效率并放寬驅(qū)動器內(nèi)的任何熱調(diào)節(jié)要求，較低的R值DS（ON）對于給定的芯片面積和IC尺寸，是優(yōu)選的。

圖5.ADuM4120柵極驅(qū)動器和時序波形

定時：

柵極驅(qū)動器時序參數(shù)對于評估其性能至關(guān)重要。包括ADuM4120在內(nèi)的所有柵極驅(qū)動器的通用時序規(guī)格（如圖5所示）是傳播延遲（tD） 的驅(qū)動程序，定義為輸入邊沿傳播到輸出所花費的時間。如圖5所示，傳播延遲上升（t德華）可以定義為輸入邊沿上升到輸入高閾值（VIH） 的輸出上升到其最終值的 10% 以上。類似地，下降傳播延遲（t敦豪） 可以表示為從輸入邊沿下降到輸入低閾值 V 以下的時間伊利諾伊州到時間輸出低于其高水平的90%。對于上升沿和下降沿，輸出轉(zhuǎn)換的傳播延遲可能不同。

圖5還顯示了信號的上升和下降時間。這些邊沿速率受器件可以提供的驅(qū)動電流的影響，但它們也取決于被驅(qū)動的負(fù)載，并且在傳播延遲計算中沒有考慮在內(nèi)。另一個時序參數(shù)是脈沖寬度失真，即同一器件的上升和下降傳播延遲之間的差異。因此，脈沖寬度失真 （PWD） = |t唰 –t敦豪|.

由于不同部分內(nèi)的晶體管不匹配，兩個部分的傳播延遲永遠(yuǎn)不會完全相同。這會導(dǎo)致傳播延遲偏差（t扭曲），定義為在相同工作條件下對同一輸入做出反應(yīng)時，兩個不同器件的輸出轉(zhuǎn)換之間的時間差。如圖5所示，傳播延遲偏差定義為器件間偏差。對于具有多個輸出通道的器件，此規(guī)格以相同的方式表示，但表示為通道間偏斜。傳播延遲偏斜通常不能在控制電路中考慮。

圖6顯示了ADuM4121柵極驅(qū)動器的典型設(shè)置，采用半橋配置，采用功率MOSFET，適用于電源和電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。在這樣的設(shè)置中，如果兩個Q1和 Q2同時打開，由于電源和接地端子短路，有可能擊穿。這可能會永久損壞開關(guān)甚至驅(qū)動電路。為避免擊穿，必須在系統(tǒng)中插入死區(qū)時間，以便大大降低兩個開關(guān)同時打開的可能性。在死區(qū)時間間隔內(nèi)，兩個開關(guān)的柵極信號都很低，因此，開關(guān)理想情況下處于關(guān)斷狀態(tài)。如果傳播延遲偏差較低，則所需的死區(qū)時間較低，并且控制變得更加可預(yù)測。具有更低的偏斜和更低的死區(qū)時間，可實現(xiàn)更平穩(wěn)、更高效的系統(tǒng)運行。

定時特性很重要，因為它們會影響電源開關(guān)的運行速度。了解這些參數(shù)有助于實現(xiàn)更簡單、更精確的控制電路設(shè)計。

隔離：

它是系統(tǒng)中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間沒有直接的傳導(dǎo)路徑可用。這允許單個電路具有不同的接地電位。信號和/或功率仍然可以使用電感、電容或光學(xué)方法在隔離電路之間傳遞。對于具有柵極驅(qū)動器的系統(tǒng)，出于功能目的，隔離可能是必要的，也可能是一項安全要求。在圖 6 中，我們可以有 V總線數(shù)百伏特，數(shù)十安培電流通過 Q1或 Q2在給定時間。如果該系統(tǒng)出現(xiàn)任何故障，如果損壞僅限于電子元件，則可能不需要安全隔離，但如果控制側(cè)有人為參與，則需要在高功率側(cè)和低壓控制電路之間進(jìn)行電氣隔離。它提供高壓側(cè)任何故障保護(hù)，因為隔離柵阻止電力到達(dá)用戶，盡管組件損壞或故障。

圖6.半橋設(shè)置中的隔離柵，采用ADuM4121隔離式柵極驅(qū)動器

監(jiān)管和安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)強(qiáng)制要求隔離，以防止電擊危險。它還可以保護(hù)低壓電子設(shè)備免受高功率側(cè)故障造成的任何損壞。描述安全隔離的方法多種多樣，但從根本上說，它們都與隔離柵擊穿的電壓有關(guān)。該電壓額定值通常在驅(qū)動器的整個生命周期內(nèi)給出，以及特定持續(xù)時間和配置文件的電壓瞬變。這些電壓電平還對應(yīng)于驅(qū)動器IC的物理尺寸以及隔離柵兩端引腳之間的最小距離。

除了安全原因外，隔離對于系統(tǒng)的正確運行也是必不可少的。圖6顯示了電機(jī)驅(qū)動電路中常用的半橋拓?fù)洌渲薪o定時間只有一個開關(guān)導(dǎo)通。在高功率側(cè)，低側(cè)晶體管Q2其源接地。Q的柵源電壓2（五GSQ2）因此直接以地為參考，驅(qū)動電路的設(shè)計相對簡單。高邊晶體管Q不是這種情況。1，因為它的來源是開關(guān)節(jié)點，根據(jù)哪個開關(guān)接通，該節(jié)點被拉到總線電壓或地。打開 Q 的步驟1，正柵極至源極電壓 （VGSQ1），應(yīng)應(yīng)用超過其閾值電壓。因此，柵極電壓Q1將高于 V總線當(dāng)它處于打開狀態(tài)時，源連接到 V總線.如果驅(qū)動電路沒有接地參考隔離，則電壓大于V總線將需要驅(qū)動 Q1.這是一個繁瑣的解決方案，對于高效的系統(tǒng)來說是不切實際的。因此，需要電平轉(zhuǎn)換并參考高端晶體管源的控制信號。這稱為功能隔離，可以使用隔離式柵極驅(qū)動器（如ADuM4223）來實現(xiàn)。

抗噪性：

柵極驅(qū)動器用于固有大量噪聲源的工業(yè)環(huán)境。噪聲會損壞數(shù)據(jù)并使系統(tǒng)不可靠，從而導(dǎo)致性能下降。因此，柵極驅(qū)動器需要具有良好的抗噪聲能力，以確保數(shù)據(jù)完整性。抗噪性與驅(qū)動器抑制電磁干擾（EMI）或RF噪聲以及共模瞬變的能力有關(guān)。

EMI是破壞電子設(shè)備預(yù)期操作的任何電噪聲或磁干擾。影響柵極驅(qū)動器的EMI是高頻開關(guān)電路的結(jié)果，主要是由于大型工業(yè)電機(jī)的磁場而產(chǎn)生的。EMI可以是輻射或傳導(dǎo)的，并且可以耦合到附近的其他電路中。因此，對EMI或RF抗擾度的抗擾度是指柵極驅(qū)動器抑制電磁干擾并保持穩(wěn)健運行而無錯誤的能力。具有高EMI抗擾度，允許驅(qū)動器在大型電機(jī)附近使用，而不會在數(shù)據(jù)傳輸中引入任何故障。

如圖6所示，隔離柵有望在不同電位下提供跨地的高壓隔離。但高頻開關(guān)會導(dǎo)致副邊的電壓轉(zhuǎn)換邊沿較短。由于隔離邊界之間的寄生電容，這些快速瞬變從一側(cè)耦合到另一側(cè)，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。這可能是在柵極驅(qū)動信號中引入抖動或完全反轉(zhuǎn)信號的形式，導(dǎo)致效率低下，在某些情況下甚至直通。因此，柵極驅(qū)動器的定義指標(biāo)是共模瞬變抗擾度（CMTI），它定量描述了隔離式柵極驅(qū)動器抑制其輸入和輸出之間的大共模瞬變的能力。如果系統(tǒng)中的壓擺率很高，則驅(qū)動器的抗擾度需要很高。因此，在高頻和大總線電壓下工作時，CMTI數(shù)字尤其重要。

結(jié)論

本文旨在介紹柵極驅(qū)動器，因此，到目前為止討論的參數(shù)并未構(gòu)成有關(guān)隔離式柵極驅(qū)動器規(guī)格的詳盡列表。還有其他驅(qū)動器指標(biāo)，如電源電壓、允許溫度、引腳排列等，與每個電子部件一樣，這些都是常見的考慮因素。ADuM4135和ADuM4136等一些驅(qū)動器還集成了保護(hù)功能或高級檢測或控制機(jī)制。市場上的隔離式柵極驅(qū)動器種類繁多，使得系統(tǒng)設(shè)計人員必須了解所有這些規(guī)格和特性，以便就相關(guān)應(yīng)用中使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動器做出明智的決定。

審核編輯：郭婷