電力電子系統中，通常分為控制電路和電力電路兩個子系統，其中電力電路的輸出級部分決定整個應用的特性，如效率、耐用性及雜訊情況。在整個功率級（Power Stage）子電路中的良好組合能夠實現更好的性能，并獲得更好的耐用性和更大的設計容限。在系統優化過程中，根據功率開關細調驅動器級是非常重要的。本文中對于閘極驅動器，諸如半橋驅動器、光隔離閘極驅動器或延遲匹配二級側驅動器等不同的選擇，將與離散元件解決方案比較；而對于功率級，將藉由實際的範例來介紹使用不同功率開關技術的決定標準。

　　電力電子應用系統面面觀

　　在所有電力電子應用中，皆可發現到兩種類型的電力子系統：功率轉換電路和運動控制電路。第一種類型也稱為交流對直流（AC-DC）或電源，第二種類型則被稱為逆變器（Inverter）或頻率轉換器。兩種類型的電路皆可從叁項推動系統發展的因素受益，即元件的性能、整合度的提高及方案和設計支持（圖1）。

　　圖1 電力電子應用的系統趨勢

　　控制器的性能、閘極驅動器及功率開關是提高性能的關鍵。只有借助功率開關的新技術及控制器的新功能和改進功能，才能提高運作效率和降低待機功率，不僅使現有拓撲達到更好的性能，還能實現新的拓撲。準諧振電源的使用增加就是一個例子。

　　優化功率輸出級至關重要

　　優化功率輸出級要求對元件和元件的性能特點進行深入的分析，不僅是諸如傳導和開關損耗等純粹的性能值，還要考慮到與其他元件的整合。無此種優化，就必須具有更大的設計容限，且更多先進元件的優勢也無法發揮。例如在使用超接面（Superjunction）金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）時，只有改善印刷電路板（PCB）的布局，使得這些元件達到更高的開關速度，才能降低耗電量。對于工程師而言，做出選擇不成問題，因為有眾多可選用的元件。

　　在上述兩個子系統中，均需要以相當高的頻率進行開關，本文不討論電源斷路器、閉合/斷開開關等經由開關造成系統狀態改變的應用。以高頻進行開關是縮小所用被動元件體積的要求，但同時也增加開關損耗。一方面要找到功率開關成本及其開關損耗之間的平衡，還要找到省下被動元件與降低相關損耗的潛力。更高頻率開關還能夠改善動態負載的瞬態特性，此也許是一項系統的優點。

　　大多數情況下，功率開關不僅與地連接，且與輸入、電源或匯流排電壓連接。因為這些開關必須由合適的閘極電壓進行控制，這些合適的閘極電壓是以其源極或發射極接腳作為參考，需要一個所謂的浮動的（Floating）驅動器。此可藉由使用如快捷（Fairchild）FAN7080單片閘極驅動器，或諸如快捷FOD3120的光隔離器件來實現。在運動控制應用方面，可能會考慮使用將功率開關與閘極驅動器整合在一起的智慧功率模組，其主要優點包括更高可靠性、更好的元件優化、更小體積、更好的設計靈活性及更好的保護功能。事實上，智慧功率模組具有許多功率輸出級所包含的高整合和元件組合優勢。

　　開關與導通損耗為元件選擇指標

　　影響選擇絕緣閘雙極性電晶體（IGBT）和MOSFET作為主功率開關的兩個最重要因素，係開關損耗和導通損耗。不同的應用會有其需要的最高電壓、最大電流和開關頻率。對于高開關頻率和/或小電流（最高達10～20安培）應用，通常使用MOSFET；而對中低開關頻率，尤其是在電流更大時，則選擇IGBT。表1說明不同開關技術之間的差異。

　　對于驅動開關，使用特定的閘極驅動器，在使用FAN3222時有高達11安培/12安培（散熱器/源極）的漏電流，當需要開關保持斷開狀態時，能夠安全地對閘極進行鉗制（Clamp）。選擇合適的閘極驅動峰值電流很重要，電流較大，則在效率方面沒有顯著的優勢，會在系統中產生大的電壓過衝和難以消除的電磁干擾，此是由于快速邊緣（Fast Edge）包含豐富的諧波雜訊成分。

　　現有叁種不同的閘極驅動器系列：單片半橋或高側閘極驅動器系列，用于大多數不需要電氣隔離的應用；具有出色的抗雜訊能力的光隔離閘極驅動器系列；具有出色定時性能的低側端驅動器系列，用于功率較大的應用，包括脈衝變壓器驅動（表2）。

　　實現系統級優化　功率、成本及體積扮要角

　　功率輸出級優化須要考慮的最重要因素當然是功效、擁有成本的影響及體積大小和成本，它們都受到如圖1所示叁種主要驅動因素的影響。此外，在工業電子應用中還須要考慮更多的因素，尤其是耐用性（異常系統狀態下的保護和連續運作）、可靠性（無故障工作，延長壽命）及更嚴苛的環境條件。這些額外的要求通常會影響散熱、電氣及布局設計，同時亦須要考慮電磁干擾的性能。

　　圖2為某高密度電源的功率級拓撲，使用并聯MOSFET，兩個元件使用一個散熱器。為改善開關性能，閘極驅動電路（此處使用離散元件）非常靠近它們控制的功率開關，為的是改善閘極驅動電流環路并使其愈小愈好；減小寄生閘極-漏極電容，以防止寄生振盪；使閘極驅動輸入阻抗與閘極愈接近愈好，進一步防止寄生振盪。在PCB的底側使用表面黏著（SMD）元件來實現驅動器電路。注意兩個功率級完全對稱的布局，確保兩個并聯路徑具有同樣的開關特性，以及源極接腳之前電源地和驅動器地的分離。

　　圖2 高密度電源的功率級拓撲

　　功率輸出級的優化是復雜的，在元件方面有許多不同的選擇，但也有許多相互矛盾的要求。本文介紹不同的技術選擇，并說明實現最高性能的優化可能性。所有這些成效都是經由對系統內功率開關和閘極驅動器的仔細調整，以達到最佳的整體表現。