栅极驱动器 — 功率器件性能的关键环节：第 1 部分

有效的 MOSFET/IGBT 器件开关取决于栅极驱动器及其电源。

从电源和电机驱动器到充电站和无数其他应用，硅 （Si）、碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） MOSFET等开关功率半导体以及绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 是高效电源系统设计的关键。但是，为了实现功率器件的最大性能，需要合适的栅极驱动器。

顾名思义，该元件的作用是驱动功率器件栅极，快速、清晰地将其置于导通模式或将其拉出导通模式。这样做要求驱动器能够拉出或吸收足够的电流，尽管负载（栅极）存在内部器件和杂散（寄生）电容、电感和其他问题。

因此，提供具有适当关键属性的合适尺寸的栅极驱动器对于实现功率器件的全部潜力和效率至关重要。然而，为了充分利用栅极驱动器，设计人员必须特别注意驱动器的直流电源，它与功率器件直流电源轨无关。T

此供应类似于传统供应，但有一些重要差异。它可以是更常见的单极电源，但在许多情况下，它是一个非对称的双极电源，以及其他功能和结构差异。

从切换设备开始

图 1.在截止模式下，MOSFET 漏极-源极路径看起来像一个开路开关。（图片：Quora)

要了解栅极驱动器 DC-DC 转换器的作用和所需属性，首先要从开关器件开始。对于作为开关器件的 MOSFET，栅极-源极路径用于控制器件的导通或关断状态（IGBT 类似）。当栅源电压小于阈值电压 （VGS系列< VTH 系列），MOSFET 处于其截止区域，没有漏极电流流过，ID= 0 安培 （A），MOSFET 显示为“开路开关”，如图 1 所示。

相反，当栅源电压远大于阈值电压 （VGS系列> VTH 系列），则 MOSFET 处于饱和区域，最大漏极电流流过 （ID= VDD 系列/RL），MOSFET 显示为低电阻“闭合开关”，如图 2 所示。

图 2.在饱和模式下，MOSFET 漏极-源极路径看起来像一个低电阻开关。（图片：Quora)

对于理想的 MOSFET，漏源电压为零 （VDS 系列= 0 伏），但在实践中为 VDS 系列由于内部导通电阻 R 的原因，通常约为 0.2 VDS（开），通常低于 0.1 欧姆 （Ω），可低至几十毫欧姆。

虽然原理图显示施加到栅极的电压似乎会打开和关闭 MOSFET，但这只是故事的一部分。该电压将电流驱动到 MOSFET 中，直到有足够的累积电荷来将其导通。根据开关驱动器的尺寸（额定电流）和类型，快速转换到完全导通状态所需的电流量可能低至几毫安 （mA） 到几安培 （A）。

图 3.此 MOSFET 模型显示了寄生电容和电感，它们对驱动器性能产生不利影响和挑战。（图片：Texas Instruments）)

栅极驱动器的功能是将足够的电流快速、清脆地驱动到栅极中以导通 MOSFET，并以相反的方式将电流拉出以关闭 MOSFET。更正式地说，栅极需要由低阻抗源驱动，该源能够提供和吸收足够的电流，以提供控制电荷的快速插入和提取。

如果 MOSFET 栅极看起来像一个纯电阻负载，那么拉出和吸收该电流将相对简单。然而，MOSFET 具有内部电容和电感寄生元件，驱动器和功率器件之间的互连也存在寄生效应，如图 3 所示。

结果是栅极驱动信号在阈值电压附近振铃，导致器件在其轨迹上一次或多次打开和关闭，以完全打开或关闭;这有点类似于图 4 中所示的机械开关的 “switch bounce”。

图 4.由于 MOSFET 负载中的寄生效应而导致的驱动器输出振铃会导致振铃和误触发，类似于机械开关反弹。（图片来源：Learn About Electronics)

其后果包括未被注意或只是在临时应用中令人讨厌（例如打开或关闭灯），一直到可能损坏电源、电机驱动器和类似子系统中广泛使用的脉宽调制 （PWM） 快速开关电路。

图 5.与 Q1 和 Q4（左）或 Q2 和 Q3（右）的正常 MOSFET 导通相比，如果由于驱动器问题或其他原因而同时导通电桥的 Q1 和 Q2（或 Q3 和 Q4），则电源轨和接地之间将出现不可接受且可能具有破坏性的短路情况，称为击穿。（图片：Quora)

在标准半桥和全桥拓扑中，如果桥同一侧的两个 MOSFET 同时导通，即使是瞬间，负载也放置在上下 MOSFET 对之间，这可能会导致短路甚至永久性损坏。这种现象称为“击穿”，如图 5 所示。

下一部分将探讨 gate driver 的细节和影响。