了解栅极驱动器的关键作用

碳化硅和氮化镓开关器件是所有功率电路中主要使用的元件。尽管它们在运行速度、高电压、处理电流和低功耗等固有特性方面取得了优异的成绩，但设计人员将所有注意力都放在了这些设备上，而常常忘记将精力投入到相关的驱动器上。

什么是栅极驱动器？

一个好的电源电路不仅仅由SiC、GaN MOSFET等静态器件组成。还有栅极驱动器，这是一个位于电子开关之前的独立元件，可确保以方式驱动它们的正确能量。事实上，将方波或矩形波直接发送到组件的栅极端子是不够的。另一方面，驱动信号必须适当定时以发送正确的电位，以确保振荡适合各种组件，减少寄生元件并尽可能消除功率损耗。因此，设计人员必须从终负载的角度进行与电路相关的项目，同时分析和创建能够以方式驱动功率元件的栅极驱动器。

非驱动器不仅会导致显着的功率损耗，而且不完美的同步通常会导致电路运行异常，并可能损坏 MOSFET。它们是压控器件，栅极是它们的控制端，与器件电气隔离。必须通过专门的专用驱动器向此端子施加电压才能使 MOSFET 工作。

就所有意图和目的而言，MOSFET 的栅极端子是一个非线性电容器。在栅极电容器上充电会使器件进入“导通”状态，从而允许电流在漏极端子和源极端子之间流动。相反，该电容器的放电使其处于“关闭”状态。为使 MOSFET 工作，必须在栅极和源极之间施加高于阈值电压 (VTH) 的电压，这是电容器充电的电压，MOSFET 导通。通常，数字系统（微控制器或 MCU）不足以激活设备，因此在控制逻辑和电源开关之间始终需要一个接口，准确地说是驱动程序。

栅极驱动器执行的主要功能之一是电平转换器。但是，栅极电容不能瞬间充电；充满电需要一段时间。在此期间，尽管很短，但该设备以高电流和高电压工作，以热量的形式消耗大量功率。不幸的是，这种能量未被使用并构成了功率损失。因此，从一种状态到另一种状态的转换必须非常快，以地减少切换时间，并且为了减少该时间，有必要促进高电流瞬变以快速为栅极电容器充电。图 1 涉及用作电子开关的 SiC MOSFET 的响应，并显示了瞬态期间各个节点的重要信号，特别是：

顶部的“V（脉冲）”信号代表为系统供电的 PWM 波。它是频率为 100 kHz 的理想矩形信号。这是一个完美的信号。

“V（栅极）”信号表示栅极端子上存在的实际信号。如您所见，它的趋势是不规则的，因为栅极电容不是线性的，它的电压在片刻后达到值，这是电容器充电到其容量所需的时间。该间隔由时间常数 RC 决定，在本例中约为 150 ns。

“I（负载）”信号表示流过负载和漏极端子的电流。初，当 MOSFET 打开时它很低，然后当 MOSFET 关闭时达到值。这个序列无限重复。请注意，切换不是立即和瞬时的，而是遵循栅极电压的切换。

“V（漏极）”信号显示了 V GS电压的趋势，显然与电流相位相反，始终跟随栅极电容器的充电速度。

一张图显示了 MOSFET 耗散的功率 ( V DS × I D )，并且与驱动信号的上升沿和下降沿相对应，它呈现出高有害峰值。这就是功率损耗，是栅极驱动器必须尽可能减少的一个因素。

图 1：SiC MOSFET 瞬态期间各个节点的信号

为了限度地减少开关阶段的功耗，栅极电容器必须尽快充电和放电。市场提供了化这个过渡期的特殊电路。如果驱动器可以提供更高的栅极电流，则功率损耗会减少，因为功率瞬变的峰值更短。一般来说，栅极驱动器执行以下任务：

转换电压电平以驱动栅极达到电路的预期
化系统的切换时间
提供高电流以快速对栅极电容器充电和放电

许多设计人员犯了一个大错误，即直接通过 MCU 上的逻辑门驱动 MOSFET。一方面，它可以提供正确的电压来驱动设备，但 MCU 的门不允许高电流通过，将自身限制为几十毫安的电源。这一事实导致栅极电容器的充电非常缓慢，这在少数情况下是不可接受的。在许多情况下，直接从 MCU 驱动功率 MOSFET 可能会因电流消耗过大而过热并损坏控制器。通过改用合适的栅极驱动器，可以限度地缩短上升和下降时间，从而实现功率损耗极低的更高效系统。

图 2 显示了栅极电容器的充电和放电瞬态相对于硅 MOSFET 的使用。该图显示了 IRL540 器件的栅极电容器充电瞬态，这是一种特别适用于 MCU 的逻辑栅极电压的 MOSFET。尽管该模型与 TTL 电压兼容，但必须始终研究并使用适当的驱动器以方式执行栅极驱动。在该示例中，通过合适的驱动器（蓝色图形）和通用 MCU 的数字输出端口（红色图形）以两种方式对门进行控制。

这两张图显示了电容器的典型充电和放电曲线，以及相对非线性的情况。在驱动信号的前沿，即 MOSFET 的激活，完整瞬态的时间如下：

通过驱动器对栅极容量充电：805 ns（蓝色迹线）
通过 GPIO 对栅极容量进行充电：11,000 ns（红色迹线）

如您所见，不正确的驱动会使 MOSFET 的激活非常慢，大约慢 14 倍——这是一个不可接受的时间，会导致多个开关损耗。在驱动信号的下降沿，即关断MOSFET，完整瞬态的时间如下：

通过驱动器释放栅极容量：500 ns（蓝色迹线）
通过 GPIO 的栅极容量放电：5,000 ns（红色轨迹）

因此，同样对于关断，不正确的栅极驱动会使 MOSFET 的去激活非常慢，大约 10 倍——这也是一个不可接受的时间。
图 2：由 MCU 端口（红色迹线）和驱动器（蓝色迹线）驱动的 IRL540 MOSFET

Analog Devices Inc. 的 LTC7062（见图 3）以高达 100 V 的电源电压驱动两个 N 沟道 MOSFET。驱动器可以使用不同的接地参考运行，具有出色的抗噪性。两个驱动器对称且彼此独立，允许互补或非互补切换。其强大的 0.8Ω 下拉电阻和 1.5Ω 上拉电阻允许使用大栅极容量。

  
图 3：LTC7062 栅极驱动器的应用示例（：Analog Devices Inc.）

结论

SiC 器件的栅极驱动器比传统栅极驱动器复杂得多，因为它们还具有监控和保护功能。显然，在选择栅极驱动器时还需要??考虑许多其他因素。例如，建议检查驱动器绝缘、时序参数和抗噪性等。近，许多公司还采用数字方法来开发新的可配置驱动程序。通过这种方式，设计人员可以对操作模式进行编程以控制电压水平和相关工作时间。实际上，这些是可编程的 MCU，能够在不物理修改电路的情况下控制任何电气行为。栅极驱动器是真正的技术瑰宝，设计人员应该为此投入所有必要的时间和金钱。