为什么栅极驱动器对于高性能电源开关至关重要？

栅极驱动器对于 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等宽带隙半导体至关重要。这些器件在许多方面都优于常规硅器件。这些先进的器件具有更快的开关速度并在更高的频率下运行，因此需要优化栅极驱动电路。

本常见问题解答将涵盖基本栅极驱动器的三个方面，即串扰最小化、消除米勒效应和防止击穿。最后，我们以德州仪器 （TI） 的智能栅极驱动器示例结束。

最大限度地减少相支路配置中的串扰

第一个挑战发生在多交换机配置中，其中交换事件可能会相互干扰。当相位支路设置中的有源开关导通或关闭时，杂散脉冲会通过关断状态开关的栅源电压 （Vgs） 发送。这在栅极驱动器电路中称为串扰。例如，在同步降压转换器中，当上开关进行开关转换时，下开关的Vgs上会发生串扰。

可以通过提供低阻抗路径来旁路栅漏电容器的位移电流来解决这个问题。这种布置如图1所示，其中两个BJT和一个二极管连接SiC MOSFET的栅极端子和负驱动器电压。

图 1.栅极驱动器布置与BJT和二极管，可抑制串扰，从而提高同步降压转换器的效率。（图片来源：电子、MDPI)

这种方法的有效性在仿真结果中显而易见，同步降压转换器的效率有所提高。这种情况也是栅极驱动器电路中的寄生效应如何影响电源开关的一个例子，尤其是在涉及高频开关时。

消除米勒效应并降低开关损耗

虽然串扰解决了开关间干扰问题，但单个开关性能面临其自身的局限性。其中最重要的是米勒效应，它直接影响开关速度和效率。

米勒效应的特征是开关期间 Vgs 中的平坦区域（米勒平台），当栅极漏极电容器充电时发生。这种效应会减慢开关转换速度，并显着增加开关损耗，因为它会导致漏源电压和漏源电流曲线重叠。

快速导通和关断对于最大限度地减少这些损耗非常重要。栅极驱动器，尤其是谐振型栅极驱动器，可以通过回收浪费的栅极电荷能量来显着降低栅极损耗。图 2 显示了栅极驱动器原型，用于验证基于 GaN 的谐振栅极驱动器的使用。原型下面的表格提供了直接比较标准栅极驱动器和谐振栅极驱动器性能的定量数据。

图 2.使用谐振栅极驱动器的实验装置及其与标准栅极驱动器相比性能的改进。（图片来源：电子、MDPI)

实验表明，回收栅极电荷会浪费能量，栅极损耗降低了 26%。结果涉及开关频率为2.5 MHz时变化的高压负载，凸显了栅极驱动器在高频应用中的重要性。

栅极驱动器，借助软开关防止击穿

除了优化单个开关转换外，栅极驱动器还必须防止灾难性故障模式。其中最关键的是射击，它可以摧毁整个功率级。

当半桥中的高侧和低侧MOSFET同时使能时，就会发生击穿或交叉导通。这种现象在电源和接地之间形成了一条低阻抗路径，可能导致大的破坏性电流。在高频应用中，死区时间控制不足会使这个问题恶化。

在这种情况下，软切换可能特别有用。最近的一项研究声称，软开关导致开关损耗大幅降低。图 3 总结了整个研究，其中栅极驱动器实现软开关并缓解击穿和振荡等问题的能力提高了整体系统效率和可靠性。

图 3.栅极驱动器电路的功率损耗击穿 （a） 全软开关，（b） 传统硬开关。（图片来源：《科学报告》、《自然》杂志)

智能门驱动器可用于高级控制和集成

智能门驱动器通过集成对高性能系统很重要的高级控制和保护功能，超越了基本的驱动功能。图 4 显示了此类智能栅极驱动器的示例，其中突出显示了几个关键的集成功能：

• 可调栅极驱动电流源：通过调整提供给栅极的电流，可以精确控制 MOSFET VDS 压摆率。这对于平衡效率（较快的压摆率可降低开关损耗）和 EMI 性能（较慢的压摆率可减少辐射发射）至关重要。

• 稳健的 MOSFET 开关（例如，握手、TDRIVE 状态机）：该图包括“握手”模块和“过流检测器”，表示通过确保一个 MOSFET 在半桥中启用另一个 MOSFET 之前完全禁用来防止交叉传导（击穿）的功能。这些功能还可以检测 MOSFET 栅极故障并防止由于 dV/dt 引起的寄生导通，从而提高系统可靠性并保护组件。

• 传播延迟优化：这些栅极驱动器可以通过动态电流控制方案减少传播延迟及其失配。这有助于支持更宽的 PWM 占空比范围，并提高电机控制等应用的动态性能。

总结

栅极驱动器解决了使用宽禁带半导体进行高性能电源开关的三个关键挑战。在开关转换期间，串扰会在栅源电压上产生杂散脉冲，这可以通过使用 BJT 和二极管创建低阻抗旁路路径来解决。当栅极漏极电容器充电时，米勒效应会导致开关期间出现平坦的电压平台，从而增加开关损耗。谐振栅极驱动器通过回收浪费的栅极电荷能量来消除这种影响。当半桥配置中的两个MOSFET同时使能时，就会发生击穿，从而产生破坏性的电流路径。软切换有助于更大程度地减少击穿效应。