用于電力電子器件的柵極驅動(dòng)器

柵極驅動(dòng)器是一種功率放大器，它接受來(lái)自控制器IC的低功耗輸入，并為功率器件產(chǎn)生適當的高電流柵極驅動(dòng)。隨著(zhù)對電力電子器件的要求不斷提高，柵極驅動(dòng)器電路的設計和性能變得越來(lái)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(mén)控半導體器件，如普通晶體管、FET、BJT、MOSFET、IGBT 等作為開(kāi)關(guān)模式電源 （SMPS）、通用電源 （UPS） 和電機驅動(dòng)器中的開(kāi)關(guān)元件。電力電子的現代技術(shù)發(fā)展通常跟隨功率半導體器件的發(fā)展。

電力電子行業(yè)的功率電平要求和開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高。金屬氧化物半導體場(chǎng)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(kāi)關(guān)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(gè)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(dòng)這些開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)行為受三個(gè)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(xiàn)性的，是偏置電壓的函數。對柵極電容充電會(huì )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(dòng)，而放電時(shí)，它會(huì )關(guān)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(huì )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(chuàng )建導通路徑所需的最小柵極偏置。對于將功率器件作為開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)的柵極永遠不能由邏輯IC（PWM控制器）的輸出驅動(dòng)。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(guò)多的時(shí)間，很可能比開(kāi)關(guān)周期的持續時(shí)間長(cháng)。因此，必須使用專(zhuān)用驅動(dòng)器來(lái)施加電壓并向功率器件的柵極提供驅動(dòng)電流。這可以是一個(gè)驅動(dòng)電路，也可以作為專(zhuān)用IC、分立晶體管或變壓器實(shí)現。它也可以集成在PWM控制器IC中。

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

柵極驅動(dòng)器電路是電力電子系統的組成部分。柵極驅動(dòng)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(dòng)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(dòng)器電路的行為，這意味著(zhù)如果柵極驅動(dòng)器電路不能正確驅動(dòng)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(dòng)電路的設計在電力電子轉換器的設計中至關(guān)重要。

低邊驅動(dòng)器 — 用于驅動(dòng)以地為參考的開(kāi)關(guān)（低邊開(kāi)關(guān)）。

高邊低邊驅動(dòng)器 — 用于驅動(dòng)橋式布置中連接的兩個(gè)開(kāi)關(guān)（浮動(dòng)和接地參考開(kāi)關(guān)）。

電源逆變器和轉換器的柵極驅動(dòng)電路通常需要電氣隔離，以實(shí)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(gè)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(xué)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(dòng)電路。例如，在半橋、全橋、降壓、雙開(kāi)關(guān)正激和有源鉗位正激等功率轉換器拓撲中，存在高低開(kāi)關(guān)，因為低邊驅動(dòng)器不能直接用于驅動(dòng)高功率器件。高功率器件需要一個(gè)隔離式柵極驅動(dòng)器，因為上部器件的源極和****極不位于地電位（浮動(dòng)）。

在帶有驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)單橋式拓撲結構中，開(kāi)關(guān)1的源端可以浮動(dòng)在從地到直流總線(xiàn)電位的任何位置。因此，驅動(dòng)高邊開(kāi)關(guān)需要兩樣東西：

1. 浮動(dòng)電源 — 為與此浮動(dòng)中點(diǎn)電位相關(guān)的任何電路供電。

2. 電平轉換器 — 將 PWM 控制信號傳送到浮動(dòng)驅動(dòng)器電路。

基本上，有兩種常用技術(shù)可用于實(shí)現隔離式柵極驅動(dòng)器：磁性（使用柵極驅動(dòng)變壓器）和光學(xué)（使用光耦合器）。