用于電力電子器件的柵極驅動器

柵極驅動器是一種功率放大器，它接受來自控制器IC的低功耗輸入，并為功率器件產生適當的高電流柵極驅動。隨著對電力電子器件的要求不斷提高，柵極驅動器電路的設計和性能變得越來越重要。

功率半導體器件是現代電力電子系統的核心。這些系統利用許多門控半導體器件，如普通晶體管、FET、BJT、MOSFET、IGBT 等作為開關模式電源 （SMPS）、通用電源 （UPS） 和電機驅動器中的開關元件。電力電子的現代技術發展通常跟隨功率半導體器件的發展。

電力電子行業的功率電平要求和開關頻率越來越高。金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET） 和絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 是大多數應用中用于中高功率開關電源的兩種最受歡迎和最高效的半導體器件。

MOSFET 或 IGBT 的柵極是每個器件的電隔離控制端子。這些器件的其他端子是源極和漏極或****極和集電極。為了工作MOSFET/IGBT，通常必須向柵極施加相對于器件源極/****極的電壓。為了驅動這些開關器件導通，柵極端子必須相對于其源極/****極設為正極。

功率器件的開關行為受三個端子之間的寄生電容的影響，即柵極到源極（CGS）、柵極至漏極 （CGD） 和漏源到源極 （CDS），通常是非線性的，是偏置電壓的函數。對柵極電容充電會使功率器件導通并允許電流在其漏極和源極端子之間流動，而放電時，它會關閉器件，并在漏極和源極端子上阻塞大電壓。

功率器件的柵極電壓不會增加，除非其柵極輸入電容充電，并且功率器件在其柵極電壓達到柵極閾值電壓（V千).五世千功率器件定義為在其源極和漏極區域之間創建導通路徑所需的最小柵極偏置。對于將功率器件作為開關操作，電壓足以大于V千應應用于柵極和源極/****極端子之間。

在高功率應用中，電源開關的柵極永遠不能由邏輯IC（PWM控制器）的輸出驅動。由于這些邏輯輸出具有低電流能力，對柵極電容充電需要過多的時間，很可能比開關周期的持續時間長。因此，必須使用專用驅動器來施加電壓并向功率器件的柵極提供驅動電流。這可以是一個驅動電路，也可以作為專用IC、分立晶體管或變壓器實現。它也可以集成在PWM控制器IC中。

柵極驅動器是一種功率放大器，它接受來自控制器IC的低功耗輸入，并為功率器件產生適當的高電流柵極驅動。當PWM控制器無法提供驅動相關功率器件柵極電容所需的輸出電流時，使用它。

柵極驅動器電路是電力電子系統的組成部分。柵極驅動器是大功率電子器件和控制電路之間的重要接口，用于驅動功率半導體器件。DC-DC轉換器或SMPS的輸出主要取決于柵極驅動器電路的行為，這意味著如果柵極驅動器電路不能正確驅動功率器件的柵極，DC-DC轉換器的輸出將不符合設計要求。因此，柵極驅動電路的設計在電力電子轉換器的設計中至關重要。

低邊驅動器 — 用于驅動以地為參考的開關（低邊開關）。

高邊低邊驅動器 — 用于驅動橋式布置中連接的兩個開關（浮動和接地參考開關）。

電源逆變器和轉換器的柵極驅動電路通常需要電氣隔離，以實現功能和安全目的。監管和安全認證機構強制要求隔離，以防止電擊危險。它還可以保護低壓電子設備免受高功率側電路故障和控制側人為錯誤造成的任何損壞。系統中各種功能電路之間的電氣隔離可防止它們之間的直接傳導路徑，并允許單個電路具有不同的接地電位。信號和功率仍然可以使用電感、電容或光學方法在隔離電路之間傳遞。

功率器件的許多應用（例如，需要高功率密度和高效率的轉換器）都需要隔離式柵極驅動電路。例如，在半橋、全橋、降壓、雙開關正激和有源鉗位正激等功率轉換器拓撲中，存在高低開關，因為低邊驅動器不能直接用于驅動高功率器件。高功率器件需要一個隔離式柵極驅動器，因為上部器件的源極和****極不位于地電位（浮動）。

在帶有驅動電路的簡單橋式拓撲結構中，開關1的源端可以浮動在從地到直流總線電位的任何位置。因此，驅動高邊開關需要兩樣東西：

1. 浮動電源 — 為與此浮動中點電位相關的任何電路供電。

2. 電平轉換器 — 將 PWM 控制信號傳送到浮動驅動器電路。

基本上，有兩種常用技術可用于實現隔離式柵極驅動器：磁性（使用柵極驅動變壓器）和光學（使用光耦合器）。