【導讀】我們將簡要介紹柵極驅動器的概念并詳細解釋隔離式和非隔離式柵極驅動器的本質特征。我們還將學習隔離式柵極驅動器的一些關鍵優勢。
什么是柵極驅動器？
簡單來說，柵極驅動器是一個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，例如驅動用于數字信號傳輸的邏輯電平晶體管時，使用微控制器輸出不會損害應用的效率、尺寸或熱性能。在高功率應用中，微控制器輸出通常不適合用于驅動功率較大的晶體管。
但是為什么要使用微控制器來驅動功率晶體管呢？為了更好地回答這個問題，我們來考慮一下大型的應用。開關電源是幾乎每一個現代電氣系統的核心。任何插到壁式插座上的設備都可以利用開關電源來進行功率因數校正和生成直流電流軌。汽車系統使用開關電源來維持電池、馬達和充電器等系統。電網基礎設施要求高效率地轉換直流太陽能電池板提供的開關電能，從而將電能傳輸到直流存儲系統和交流電網。
由于應用中存在大量拓撲且復雜性日益升高，對于高功率晶體管陣列，現代開關電源通常使用微控制器或其他ASIC來協調其開關，以滿足精確的開關計時要求。這可能會帶來挑戰，因為大多數微控制器輸出并沒有針對驅動功率晶體管進行優化。
高功率晶體管與模擬信號鏈或數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。由于需要實現較高的漏極電路和較低的導通損耗，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。柵極驅動電壓和電流要求在很大程度上取決于晶體管結構和漏極電流額定值，其常見值在8至30伏和1至5安培之間。高噪聲環境甚至可能需要雙極輸出驅動。
與頻率為幾十或幾百兆赫的信號鏈或數字晶體管相比，傳統高功率晶體管的頻率上限只有幾百千赫，隨著新技術的出現，有可能會將該上限推高一個數量級。這種頻率限制是由于增高的柵極電容和驅動電壓要求造成的。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伏方波驅動條件下需要近半瓦的功耗。對于可傳輸3至5千瓦電力的轉換器，提高開關頻率所帶來的好處，比如減小磁體的尺寸和重量，有時要比幾瓦驅動損耗的成本更有價值。
在決定晶體管的驅動要求的元素中，還有一種更為棘手的損耗源。在柵極電容充放電過程中，開關會在全開和全關狀態之間存在一個過渡期，此時開關上會出現電壓，且會有電流流過開關。由于同時存在較高的電壓和較高的電流，因此這類開關損耗會造成相當大的功耗，有時會達到幾十瓦，以及進一步的效率降級。因此，通過更快地對柵極電容進行充放電來縮短過渡期的持續時間是有好處的。
如果輸出電壓甚至高到足以使晶體管導通，那么大多數微控制器提供的低電流信號在驅動高功率晶體管時都會慢得令人發指，效率極低。
現在我們來回答什么是柵極驅動器這個問題，柵極驅動器是一個用于放大來自微控制器或其他來源的控制信號，從而使其適應半導體開關的有效和高效運行的電路。
有許多柵極驅動器都可以在承受高偏置電壓的情況下工作，例如高功率轉換器中使用的那些。
柵極驅動器分類與優點分析
廣義地說，這些柵極驅動器分為兩類：非隔離式柵極驅動器和隔離式柵極驅動器。大多數用于在高電壓下運行的非隔離式柵極驅動器都是半橋驅動器。
半橋驅動器旨在驅動以半橋配置堆疊在一起的功率晶體管。它們有兩個通道：低側和高側。低側是一個相當簡單的緩沖器，通常與控制輸入具有相同的接地點。而高側則是經過精心設計且以半橋的開關節點為基準，從而允許使用兩個N溝道MOSFET或兩個IGBT。開關節點應該在高電壓總線和電源接地之間快速過渡，從而讓我們有機會以具有成本效益的方式利用與為低側供電時相同的電源通過自舉電路為高側供電。為了傳達輸出應為高電平還是低電平，必須包含一個高電壓電平轉換器，該轉換器的泄漏電流通常較小，只有幾微安或更小。
這種類型的柵極驅動器具有很多局限性。首先，因為它整體都在同一硅片上，因此，無法超出硅的工藝極限。大多數非隔離式柵極驅動器的工作電壓都不超過700伏。第二，電平轉換器必須承受高電壓運行的壓力，且必須在高噪聲環境中傳達輸出狀態。因此，為了實現充足的噪聲濾波，電平轉換器通常會添加一些傳播延遲。然后，低側的驅動器又要與高側驅動器的較長延遲相匹配。第三，用于在高電壓下運行的非隔離式柵極驅動器不夠靈活。現在存在許多復雜的拓撲，它們要求多個輸出能夠轉換至控制公共端電平以上或以下。
在現代柵極驅動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。這些器件將一個硅片用于控制信號，另一個用于輸出驅動信號，并通過距離和絕緣材料對其進行物理隔離。控制信號在傳輸過程中可通過多種方式穿過隔離層，但是，與非隔離式柵極驅動器不同的是，隔離層可防止任何顯著的泄漏電流從隔離層的一側流向另一側。由于一個輸入裸片可與多個輸出裸片隔離，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，直至達到隔離技術的極限。
與具有不靈活的電平轉換器和預定輸出角色的非隔離式柵極驅動器不同的是，隔離式柵極驅動器的輸出可以以電路中的任何節點為基準，且可以構造為單通道或雙通道器件。隔離技術的極限遠遠高于非隔離式柵極驅動器的硅工藝限制，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，隔離式柵極驅動器還可以用于實現更快速、更穩健的運行。使用隔離的原因有很多。許多應用都因為監管要求而需要使用隔離式電源，并且隔離式柵極驅動器可以用來簡化系統結構。有時，隔離層的強度還可以用來增強系統抵抗浪涌、雷擊和其他有可能損壞系統的異常事件的能力。
在其他情況下，通過靈活地使用隔離層可以簡化拓撲的設計，從而無需再使用信號轉換器或電平轉換器，如反相降壓/升壓。即使是在并不嚴格要求進行隔離的傳統半橋應用中，隔離式柵極驅動器也可以憑借優異的傳播延遲、較高的驅動力和對高電壓瞬態的更出色承受力而勝過非隔離式柵極驅動器。
使用隔離式柵極驅動器的常用拓撲包括牽引逆變器、電機驅動器、三相功率因數校正電路和串式光伏逆變器。這些拓撲都在交流和直流電源之間轉換，直接與高電壓直流總線和電機或電網等三相系統相連。
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