柵極驅動器 — 功率器件性能的關鍵環節：第 1 部分

有效的 MOSFET/IGBT 器件開關取決于柵極驅動器及其電源。

從電源和電機驅動器到充電站和無數其他應用，硅 （Si）、碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） MOSFET等開關功率半導體以及絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 是高效電源系統設計的關鍵。但是，為了實現功率器件的最大性能，需要合適的柵極驅動器。

顧名思義，該元件的作用是驅動功率器件柵極，快速、清晰地將其置于導通模式或將其拉出導通模式。這樣做要求驅動器能夠拉出或吸收足夠的電流，盡管負載（柵極）存在內部器件和雜散（寄生）電容、電感和其他問題。

因此，提供具有適當關鍵屬性的合適尺寸的柵極驅動器對于實現功率器件的全部潛力和效率至關重要。然而，為了充分利用柵極驅動器，設計人員必須特別注意驅動器的直流電源，它與功率器件直流電源軌無關。T

此供應類似于傳統供應，但有一些重要差異。它可以是更常見的單極電源，但在許多情況下，它是一個非對稱的雙極電源，以及其他功能和結構差異。

從切換設備開始

圖 1.在截止模式下，MOSFET 漏極-源極路徑看起來像一個開路開關。（圖片：Quora)

要了解柵極驅動器 DC-DC 轉換器的作用和所需屬性，首先要從開關器件開始。對于作為開關器件的 MOSFET，柵極-源極路徑用于控制器件的導通或關斷狀態（IGBT 類似）。當柵源電壓小于閾值電壓 （VGS系列< VTH 系列），MOSFET 處于其截止區域，沒有漏極電流流過，ID= 0 安培 （A），MOSFET 顯示為“開路開關”，如圖 1 所示。

相反，當柵源電壓遠大于閾值電壓 （VGS系列> VTH 系列），則 MOSFET 處于飽和區域，最大漏極電流流過 （ID= VDD 系列/RL），MOSFET 顯示為低電阻“閉合開關”，如圖 2 所示。

圖 2.在飽和模式下，MOSFET 漏極-源極路徑看起來像一個低電阻開關。（圖片：Quora)

對于理想的 MOSFET，漏源電壓為零 （VDS 系列= 0 伏），但在實踐中為 VDS 系列由于內部導通電阻 R 的原因，通常約為 0.2 VDS（開），通常低于 0.1 歐姆 （Ω），可低至幾十毫歐姆。

雖然原理圖顯示施加到柵極的電壓似乎會打開和關閉 MOSFET，但這只是故事的一部分。該電壓將電流驅動到 MOSFET 中，直到有足夠的累積電荷來將其導通。根據開關驅動器的尺寸（額定電流）和類型，快速轉換到完全導通狀態所需的電流量可能低至幾毫安 （mA） 到幾安培 （A）。

圖 3.此 MOSFET 模型顯示了寄生電容和電感，它們對驅動器性能產生不利影響和挑戰。（圖片：Texas Instruments）)

柵極驅動器的功能是將足夠的電流快速、清脆地驅動到柵極中以導通 MOSFET，并以相反的方式將電流拉出以關閉 MOSFET。更正式地說，柵極需要由低阻抗源驅動，該源能夠提供和吸收足夠的電流，以提供控制電荷的快速插入和提取。

如果 MOSFET 柵極看起來像一個純電阻負載，那么拉出和吸收該電流將相對簡單。然而，MOSFET 具有內部電容和電感寄生元件，驅動器和功率器件之間的互連也存在寄生效應，如圖 3 所示。

結果是柵極驅動信號在閾值電壓附近振鈴，導致器件在其軌跡上一次或多次打開和關閉，以完全打開或關閉;這有點類似于圖 4 中所示的機械開關的 “switch bounce”。

圖 4.由于 MOSFET 負載中的寄生效應而導致的驅動器輸出振鈴會導致振鈴和誤觸發，類似于機械開關反彈。（圖片來源：Learn About Electronics)

其后果包括未被注意或只是在臨時應用中令人討厭（例如打開或關閉燈），一直到可能損壞電源、電機驅動器和類似子系統中廣泛使用的脈寬調制 （PWM） 快速開關電路。

圖 5.與 Q1 和 Q4（左）或 Q2 和 Q3（右）的正常 MOSFET 導通相比，如果由于驅動器問題或其他原因而同時導通電橋的 Q1 和 Q2（或 Q3 和 Q4），則電源軌和接地之間將出現不可接受且可能具有破壞性的短路情況，稱為擊穿。（圖片：Quora)

在標準半橋和全橋拓撲中，如果橋同一側的兩個 MOSFET 同時導通，即使是瞬間，負載也放置在上下 MOSFET 對之間，這可能會導致短路甚至永久性損壞。這種現象稱為“擊穿”，如圖 5 所示。

下一部分將探討 gate driver 的細節和影響。