【導(dǎo)讀】我們將簡要介紹柵極驅(qū)動(dòng)器的概念并詳細(xì)解釋隔離式和非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的本質(zhì)特征。我們還將學(xué)習(xí)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的一些關(guān)鍵優(yōu)勢。
什么是柵極驅(qū)動(dòng)器？
簡單來說，柵極驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)用于放大來自微控制器或其他來源的低電壓或低電流的緩沖電路。在某些情況下，例如驅(qū)動(dòng)用于數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)倪壿嬰娖骄w管時(shí)，使用微控制器輸出不會(huì)損害應(yīng)用的效率、尺寸或熱性能。在高功率應(yīng)用中，微控制器輸出通常不適合用于驅(qū)動(dòng)功率較大的晶體管。
但是為什么要使用微控制器來驅(qū)動(dòng)功率晶體管呢？為了更好地回答這個(gè)問題，我們來考慮一下大型的應(yīng)用。開關(guān)電源是幾乎每一個(gè)現(xiàn)代電氣系統(tǒng)的核心。任何插到壁式插座上的設(shè)備都可以利用開關(guān)電源來進(jìn)行功率因數(shù)校正和生成直流電流軌。汽車系統(tǒng)使用開關(guān)電源來維持電池、馬達(dá)和充電器等系統(tǒng)。電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施要求高效率地轉(zhuǎn)換直流太陽能電池板提供的開關(guān)電能，從而將電能傳輸?shù)街绷鞔鎯?chǔ)系統(tǒng)和交流電網(wǎng)。
由于應(yīng)用中存在大量拓?fù)淝覐?fù)雜性日益升高，對(duì)于高功率晶體管陣列，現(xiàn)代開關(guān)電源通常使用微控制器或其他ASIC來協(xié)調(diào)其開關(guān)，以滿足精確的開關(guān)計(jì)時(shí)要求。這可能會(huì)帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)微控制器輸出并沒有針對(duì)驅(qū)動(dòng)功率晶體管進(jìn)行優(yōu)化。
高功率晶體管與模擬信號(hào)鏈或數(shù)字邏輯電路中的其他晶體管的特性幾乎完全不同。功率晶體管的擊穿電壓的分布范圍極大，從大約40伏到1,200伏甚至更高。由于需要實(shí)現(xiàn)較高的漏極電路和較低的導(dǎo)通損耗，漏源電阻需要低至幾十毫歐姆甚至更小。與漏源電阻成反比的柵極電容通常超過10,000pF。柵極驅(qū)動(dòng)電壓和電流要求在很大程度上取決于晶體管結(jié)構(gòu)和漏極電流額定值，其常見值在8至30伏和1至5安培之間。高噪聲環(huán)境甚至可能需要雙極輸出驅(qū)動(dòng)。
與頻率為幾十或幾百兆赫的信號(hào)鏈或數(shù)字晶體管相比，傳統(tǒng)高功率晶體管的頻率上限只有幾百千赫，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，有可能會(huì)將該上限推高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種頻率限制是由于增高的柵極電容和驅(qū)動(dòng)電壓要求造成的。電容器的能量等于1/2乘以電容再乘以電壓的平方。柵極電容的充放電功耗等于電容器的能量乘以頻率的兩倍--一次充電，一次放電。具有15納法柵極電容的功率晶體管在200千赫、12伏方波驅(qū)動(dòng)條件下需要近半瓦的功耗。對(duì)于可傳輸3至5千瓦電力的轉(zhuǎn)換器，提高開關(guān)頻率所帶來的好處，比如減小磁體的尺寸和重量，有時(shí)要比幾瓦驅(qū)動(dòng)損耗的成本更有價(jià)值。
在決定晶體管的驅(qū)動(dòng)要求的元素中，還有一種更為棘手的損耗源。在柵極電容充放電過程中，開關(guān)會(huì)在全開和全關(guān)狀態(tài)之間存在一個(gè)過渡期，此時(shí)開關(guān)上會(huì)出現(xiàn)電壓，且會(huì)有電流流過開關(guān)。由于同時(shí)存在較高的電壓和較高的電流，因此這類開關(guān)損耗會(huì)造成相當(dāng)大的功耗，有時(shí)會(huì)達(dá)到幾十瓦，以及進(jìn)一步的效率降級(jí)。因此，通過更快地對(duì)柵極電容進(jìn)行充放電來縮短過渡期的持續(xù)時(shí)間是有好處的。
如果輸出電壓甚至高到足以使晶體管導(dǎo)通，那么大多數(shù)微控制器提供的低電流信號(hào)在驅(qū)動(dòng)高功率晶體管時(shí)都會(huì)慢得令人發(fā)指，效率極低。
現(xiàn)在我們來回答什么是柵極驅(qū)動(dòng)器這個(gè)問題，柵極驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)用于放大來自微控制器或其他來源的控制信號(hào)，從而使其適應(yīng)半導(dǎo)體開關(guān)的有效和高效運(yùn)行的電路。
有許多柵極驅(qū)動(dòng)器都可以在承受高偏置電壓的情況下工作，例如高功率轉(zhuǎn)換器中使用的那些。
柵極驅(qū)動(dòng)器分類與優(yōu)點(diǎn)分析
廣義地說，這些柵極驅(qū)動(dòng)器分為兩類：非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。大多數(shù)用于在高電壓下運(yùn)行的非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器都是半橋驅(qū)動(dòng)器。
半橋驅(qū)動(dòng)器旨在驅(qū)動(dòng)以半橋配置堆疊在一起的功率晶體管。它們有兩個(gè)通道：低側(cè)和高側(cè)。低側(cè)是一個(gè)相當(dāng)簡單的緩沖器，通常與控制輸入具有相同的接地點(diǎn)。而高側(cè)則是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)且以半橋的開關(guān)節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)，從而允許使用兩個(gè)N溝道MOSFET或兩個(gè)IGBT。開關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在高電壓總線和電源接地之間快速過渡，從而讓我們有機(jī)會(huì)以具有成本效益的方式利用與為低側(cè)供電時(shí)相同的電源通過自舉電路為高側(cè)供電。為了傳達(dá)輸出應(yīng)為高電平還是低電平，必須包含一個(gè)高電壓電平轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的泄漏電流通常較小，只有幾微安或更小。
這種類型的柵極驅(qū)動(dòng)器具有很多局限性。首先，因?yàn)樗w都在同一硅片上，因此，無法超出硅的工藝極限。大多數(shù)非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的工作電壓都不超過700伏。第二，電平轉(zhuǎn)換器必須承受高電壓運(yùn)行的壓力，且必須在高噪聲環(huán)境中傳達(dá)輸出狀態(tài)。因此，為了實(shí)現(xiàn)充足的噪聲濾波，電平轉(zhuǎn)換器通常會(huì)添加一些傳播延遲。然后，低側(cè)的驅(qū)動(dòng)器又要與高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的較長延遲相匹配。第三，用于在高電壓下運(yùn)行的非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不夠靈活?，F(xiàn)在存在許多復(fù)雜的拓?fù)洌鼈円蠖鄠€(gè)輸出能夠轉(zhuǎn)換至控制公共端電平以上或以下。
在現(xiàn)代柵極驅(qū)動(dòng)器中越來越常見的特性是在輸入和輸出電路之間集成了隔離層。這些器件將一個(gè)硅片用于控制信號(hào)，另一個(gè)用于輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并通過距離和絕緣材料對(duì)其進(jìn)行物理隔離。控制信號(hào)在傳輸過程中可通過多種方式穿過隔離層，但是，與非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不同的是，隔離層可防止任何顯著的泄漏電流從隔離層的一側(cè)流向另一側(cè)。由于一個(gè)輸入裸片可與多個(gè)輸出裸片隔離，而輸出裸片之間又可以彼此隔離，因此輸出公共端可以自由地從輸入公共端或其他輸出公共端向上偏移，直至達(dá)到隔離技術(shù)的極限。
與具有不靈活的電平轉(zhuǎn)換器和預(yù)定輸出角色的非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器不同的是，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出可以以電路中的任何節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)，且可以構(gòu)造為單通道或雙通道器件。隔離技術(shù)的極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的硅工藝限制，可提供耐受力高于5千伏的隔離層。除了提高電壓上限和靈活性之外，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器還可以用于實(shí)現(xiàn)更快速、更穩(wěn)健的運(yùn)行。使用隔離的原因有很多。許多應(yīng)用都因?yàn)楸O(jiān)管要求而需要使用隔離式電源，并且隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可以用來簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。有時(shí)，隔離層的強(qiáng)度還可以用來增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗浪涌、雷擊和其他有可能損壞系統(tǒng)的異常事件的能力。
在其他情況下，通過靈活地使用隔離層可以簡化拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，從而無需再使用信號(hào)轉(zhuǎn)換器或電平轉(zhuǎn)換器，如反相降壓/升壓。即使是在并不嚴(yán)格要求進(jìn)行隔離的傳統(tǒng)半橋應(yīng)用中，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器也可以憑借優(yōu)異的傳播延遲、較高的驅(qū)動(dòng)力和對(duì)高電壓瞬態(tài)的更出色承受力而勝過非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。
使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的常用拓?fù)浒恳孀兤鳌㈦姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器、三相功率因數(shù)校正電路和串式光伏逆變器。這些拓?fù)涠荚诮涣骱椭绷麟娫粗g轉(zhuǎn)換，直接與高電壓直流總線和電機(jī)或電網(wǎng)等三相系統(tǒng)相連。
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