碳化硅和氮化鎵開(kāi)關(guān)器件是所有功率電路中主要使用的元件。盡管它們?cè)谶\(yùn)行速度、高電壓、處理電流和低功耗等固有特性方面取得了優(yōu)異的成績(jī)，但設(shè)計(jì)人員將所有注意力都放在了這些設(shè)備上，而常常忘記將精力投入到相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器上。

什么是柵極驅(qū)動(dòng)器？

一個(gè)好的電源電路不僅僅由SiC、GaN MOSFET等靜態(tài)器件組成。還有柵極驅(qū)動(dòng)器，這是一個(gè)位于電子開(kāi)關(guān)之前的獨(dú)立元件，可確保以方式驅(qū)動(dòng)它們的正確能量。事實(shí)上，將方波或矩形波直接發(fā)送到組件的柵極端子是不夠的。另一方面，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須適當(dāng)定時(shí)以發(fā)送正確的電位，以確保振蕩適合各種組件，減少寄生元件并盡可能消除功率損耗。因此，設(shè)計(jì)人員必須從終負(fù)載的角度進(jìn)行與電路相關(guān)的項(xiàng)目，同時(shí)分析和創(chuàng)建能夠以方式驅(qū)動(dòng)功率元件的柵極驅(qū)動(dòng)器。

非驅(qū)動(dòng)器不僅會(huì)導(dǎo)致顯著的功率損耗，而且不完美的同步通常會(huì)導(dǎo)致電路運(yùn)行異常，并可能損壞 MOSFET。它們是壓控器件，柵極是它們的控制端，與器件電氣隔離。必須通過(guò)專(zhuān)門(mén)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器向此端子施加電壓才能使 MOSFET 工作。

就所有意圖和目的而言，MOSFET 的柵極端子是一個(gè)非線(xiàn)性電容器。在柵極電容器上充電會(huì)使器件進(jìn)入“導(dǎo)通”狀態(tài)，從而允許電流在漏極端子和源極端子之間流動(dòng)。相反，該電容器的放電使其處于“關(guān)閉”狀態(tài)。為使 MOSFET 工作，必須在柵極和源極之間施加高于閾值電壓 (VTH) 的電壓，這是電容器充電的電壓，MOSFET 導(dǎo)通。通常，數(shù)字系統(tǒng)（微控制器或 MCU）不足以激活設(shè)備，因此在控制邏輯和電源開(kāi)關(guān)之間始終需要一個(gè)接口，準(zhǔn)確地說(shuō)是驅(qū)動(dòng)程序。

柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的主要功能之一是電平轉(zhuǎn)換器。但是，柵極電容不能瞬間充電；充滿(mǎn)電需要一段時(shí)間。在此期間，盡管很短，但該設(shè)備以高電流和高電壓工作，以熱量的形式消耗大量功率。不幸的是，這種能量未被使用并構(gòu)成了功率損失。因此，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必須非?？?，以地減少切換時(shí)間，并且為了減少該時(shí)間，有必要促進(jìn)高電流瞬變以快速為柵極電容器充電。圖 1 涉及用作電子開(kāi)關(guān)的 SiC MOSFET 的響應(yīng)，并顯示了瞬態(tài)期間各個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要信號(hào)，特別是：

頂部的“V（脈沖）”信號(hào)代表為系統(tǒng)供電的 PWM 波。它是頻率為 100 kHz 的理想矩形信號(hào)。這是一個(gè)完美的信號(hào)。

“V（柵極）”信號(hào)表示柵極端子上存在的實(shí)際信號(hào)。如您所見(jiàn)，它的趨勢(shì)是不規(guī)則的，因?yàn)闁艠O電容不是線(xiàn)性的，它的電壓在片刻后達(dá)到值，這是電容器充電到其容量所需的時(shí)間。該間隔由時(shí)間常數(shù) RC 決定，在本例中約為 150 ns。

“I（負(fù)載）”信號(hào)表示流過(guò)負(fù)載和漏極端子的電流。初，當(dāng) MOSFET 打開(kāi)時(shí)它很低，然后當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)達(dá)到值。這個(gè)序列無(wú)限重復(fù)。請(qǐng)注意，切換不是立即和瞬時(shí)的，而是遵循柵極電壓的切換。

“V（漏極）”信號(hào)顯示了 V GS電壓的趨勢(shì)，顯然與電流相位相反，始終跟隨柵極電容器的充電速度。

一張圖顯示了 MOSFET 耗散的功率 ( V DS × I D )，并且與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿相對(duì)應(yīng)，它呈現(xiàn)出高有害峰值。這就是功率損耗，是柵極驅(qū)動(dòng)器必須盡可能減少的一個(gè)因素。

圖 1：SiC MOSFET 瞬態(tài)期間各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)

為了限度地減少開(kāi)關(guān)階段的功耗，柵極電容器必須盡快充電和放電。市場(chǎng)提供了化這個(gè)過(guò)渡期的特殊電路。如果驅(qū)動(dòng)器可以提供更高的柵極電流，則功率損耗會(huì)減少，因?yàn)楣β仕沧兊姆逯蹈?。一般?lái)說(shuō)，柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行以下任務(wù)：

轉(zhuǎn)換電壓電平以驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O達(dá)到電路的預(yù)期

化系統(tǒng)的切換時(shí)間

提供高電流以快速對(duì)柵極電容器充電和放電

許多設(shè)計(jì)人員犯了一個(gè)大錯(cuò)誤，即直接通過(guò) MCU 上的邏輯門(mén)驅(qū)動(dòng) MOSFET。一方面，它可以提供正確的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，但 MCU 的門(mén)不允許高電流通過(guò)，將自身限制為幾十毫安的電源。這一事實(shí)導(dǎo)致柵極電容器的充電非常緩慢，這在少數(shù)情況下是不可接受的。在許多情況下，直接從 MCU 驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 可能會(huì)因電流消耗過(guò)大而過(guò)熱并損壞控制器。通過(guò)改用合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，可以限度地縮短上升和下降時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)功率損耗極低的更高效系統(tǒng)。

圖 2 顯示了柵極電容器的充電和放電瞬態(tài)相對(duì)于硅 MOSFET 的使用。該圖顯示了 IRL540 器件的柵極電容器充電瞬態(tài)，這是一種特別適用于 MCU 的邏輯柵極電壓的 MOSFET。盡管該模型與 TTL 電壓兼容，但必須始終研究并使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器以方式執(zhí)行柵極驅(qū)動(dòng)。在該示例中，通過(guò)合適的驅(qū)動(dòng)器（藍(lán)色圖形）和通用 MCU 的數(shù)字輸出端口（紅色圖形）以?xún)煞N方式對(duì)門(mén)進(jìn)行控制。

這兩張圖顯示了電容器的典型充電和放電曲線(xiàn)，以及相對(duì)非線(xiàn)性的情況。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿，即 MOSFET 的激活，完整瞬態(tài)的時(shí)間如下：

通過(guò)驅(qū)動(dòng)器對(duì)柵極容量充電：805 ns（藍(lán)色跡線(xiàn)）

通過(guò) GPIO 對(duì)柵極容量進(jìn)行充電：11,000 ns（紅色跡線(xiàn)）

如您所見(jiàn)，不正確的驅(qū)動(dòng)會(huì)使 MOSFET 的激活非常慢，大約慢 14 倍——這是一個(gè)不可接受的時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)開(kāi)關(guān)損耗。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿，即關(guān)斷MOSFET，完整瞬態(tài)的時(shí)間如下：

通過(guò)驅(qū)動(dòng)器釋放柵極容量：500 ns（藍(lán)色跡線(xiàn)）

通過(guò) GPIO 的柵極容量放電：5,000 ns（紅色軌跡）

因此，同樣對(duì)于關(guān)斷，不正確的柵極驅(qū)動(dòng)會(huì)使 MOSFET 的去激活非常慢，大約 10 倍——這也是一個(gè)不可接受的時(shí)間。