碳化硅和氮化鎵開關(guān)器件是所有電源電路中主要使用的元件。盡管它們在運(yùn)行速度、高電壓、處理電流和低功耗等固有特性方面取得了優(yōu)異的成績，但設(shè)計(jì)人員將所有注意力都集中在此類設(shè)備上，而常常忘記將自己的精力投入到相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器上。

什么是柵極驅(qū)動(dòng)器？

一個(gè)好的電源電路不僅由 SiC 和 GaN MOSFET 等靜態(tài)器件組成。還有柵極驅(qū)動(dòng)器，它是一個(gè)位于電子開關(guān)之前的獨(dú)立元件，可確保以最佳方式驅(qū)動(dòng)它們的正確能量。事實(shí)上，將方波或矩形波直接發(fā)送到元件的柵極端子是不夠的。另一方面，驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須適當(dāng)定時(shí)以發(fā)送正確的電位，以確保振蕩適合各種組件，盡可能減少寄生元件并消除功率損耗。因此，設(shè)計(jì)人員必須從最終負(fù)載的角度來執(zhí)行與電路相關(guān)的項(xiàng)目，同時(shí)分析和創(chuàng)建能夠以最佳方式驅(qū)動(dòng)功率元件的優(yōu)秀柵極驅(qū)動(dòng)器。

非最佳驅(qū)動(dòng)器不僅決定了顯著的功率損耗，而且不完美的同步通常會(huì)導(dǎo)致電路的異常操作，并可能損壞 MOSFET。它們是壓控器件，柵極是它們的控制端，與器件電隔離。必須通過專門的驅(qū)動(dòng)器向該端子施加電壓才能使MOSFET工作。

出于所有意圖和目的，MOSFET 的柵極端子是一個(gè)非線性電容器。在柵極電容器上施加電荷會(huì)使器件進(jìn)入“開啟”狀態(tài)，從而允許電流在漏極和源極端子之間流動(dòng)。相反，該電容器的放電使其處于“關(guān)閉”狀態(tài)。為了使 MOSFET 工作，必須在柵極和源極之間施加高于閾值電壓 (VTH) 的電壓，這是電容器充電的最小電壓，MOSFET 進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。通常，數(shù)字系統(tǒng)（微控制器或 MCU）不足以激活設(shè)備，因此在控制邏輯和電源開關(guān)之間總是需要一個(gè)接口，即驅(qū)動(dòng)程序。

柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行的主要功能之一是電平轉(zhuǎn)換器。但是，柵極電容不能瞬間充電；它需要一段時(shí)間才能充滿電。在這段時(shí)間內(nèi)，盡管時(shí)間很短，但該設(shè)備以高電流和電壓工作，以熱量的形式消耗高功率。不幸的是，這種能量沒有被使用并且構(gòu)成功率損失。因此，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必須非?？?，以最大限度地縮短開關(guān)時(shí)間，并且為了縮短此時(shí)間，有必要促進(jìn)高電流瞬態(tài)以快速為柵極電容器充電。圖 1 涉及用作電子開關(guān)的 SiC MOSFET 的響應(yīng)，并顯示了瞬態(tài)期間各個(gè)節(jié)點(diǎn)上最重要的信號(hào)，特別是：

頂部的“V（脈沖）”信號(hào)代表為系統(tǒng)供電的 PWM 波。它是一個(gè)理想的矩形信號(hào)，頻率為 100 kHz。這是一個(gè)完美的信號(hào)。

“V（柵極）”信號(hào)代表柵極端子上的實(shí)際信號(hào)。正如你所看到的，它的趨勢是不規(guī)則的，因?yàn)闁艠O電容不是線性的，它的電壓會(huì)在幾分鐘后達(dá)到最大水平，這是電容器充電到最大容量所需的時(shí)間。該間隔由時(shí)間常數(shù) RC 決定，在這種情況下約為 150 ns。

“I（負(fù)載）”信號(hào)代表流過負(fù)載和漏極端子的電流。最初，當(dāng) MOSFET 打開時(shí)它為低電平，然后在 MOSFET 關(guān)閉時(shí)達(dá)到最大電平。這個(gè)序列無限重復(fù)。請注意，切換不是立即和瞬時(shí)的，而是遵循柵極電壓的切換。

“V（漏極）”信號(hào)顯示了V GS電壓的趨勢，顯然，它與電流反相，始終跟隨柵極電容器的充電速度。

最后一張圖顯示了 MOSFET 消耗的功率 ( V DS × I D )，并且與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿相對應(yīng)，它呈現(xiàn)出高有害峰值。這就是功率損耗，這是柵極驅(qū)動(dòng)器必須盡可能減少的一個(gè)因素。

圖 1：SiC MOSFET 瞬態(tài)期間各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)

為了最大限度地減少開關(guān)階段的功耗，必須盡快對柵極電容器進(jìn)行充電和放電。市場提供了特殊的電路來最小化這個(gè)過渡期。如果驅(qū)動(dòng)器可以提供更高的柵極電流，則功率損耗會(huì)降低，因?yàn)楣β仕矐B(tài)的峰值會(huì)更短。一般來說，柵極驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行以下任務(wù)：

轉(zhuǎn)換電壓電平以驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O達(dá)到電路的預(yù)期

最大限度地減少系統(tǒng)的切換時(shí)間

提供大電流以快速對柵極電容器進(jìn)行充電和放電

許多設(shè)計(jì)人員犯了直接通過 MCU 上的邏輯門驅(qū)動(dòng)MOSFET的重大錯(cuò)誤。一方面，它可以提供正確的電壓來驅(qū)動(dòng)設(shè)備，但 MCU 的門不允許高電流通過，將其自身限制為幾十毫安的電源。這一事實(shí)導(dǎo)致柵極電容器的充電非常緩慢，這在少數(shù)情況下是不可接受的。在許多情況下，直接從 MCU 驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 可能會(huì)因電流消耗過大而過熱并損壞控制器。通過使用合適的柵極驅(qū)動(dòng)器，可以最大限度地減少上升和下降時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)更高效的系統(tǒng)和非常低的功率損耗。

圖 2 顯示了柵極電容器相對于硅 MOSFET 的使用的充電和放電瞬態(tài)。該圖顯示了 IRL540 器件的柵極電容器充電瞬態(tài)，這是一種 MOSFET，特別適用于 MCU 的邏輯柵極電壓。盡管該模型與 TTL 電壓兼容，但必須始終通過使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器以最佳方式研究和執(zhí)行柵極的驅(qū)動(dòng)。在該示例中，柵極的控制通過合適的驅(qū)動(dòng)器（藍(lán)色圖形）和通用 MCU 的數(shù)字輸出端口（紅色圖形）以兩種方式進(jìn)行。

這兩張圖顯示了電容器的典型充電和放電曲線，以及案例的相對非線性。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的前沿，即對于 MOSFET 的激活，完整的瞬態(tài)時(shí)間如下：

通過驅(qū)動(dòng)器對柵極電容充電：805 ns（藍(lán)色跡線）

通過 GPIO 對柵極容量充電：11,000 ns（紅色跡線）

如您所見，不正確的驅(qū)動(dòng)會(huì)使 MOSFET 的激活速度非常慢，大約慢 14 倍——這是一個(gè)不可接受的時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致若干開關(guān)損耗。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的下降沿，即關(guān)斷 MOSFET，完成瞬態(tài)的時(shí)間如下：

通過驅(qū)動(dòng)器釋放柵極電容：500 ns（藍(lán)色跡線）

通過 GPIO 進(jìn)行柵極容量放電：5,000 ns（紅色跡線）

因此，同樣對于關(guān)斷，不正確的柵極驅(qū)動(dòng)會(huì)使 MOSFET 的去激活速度非常慢，大約慢 10 倍——這也是一個(gè)不可接受的時(shí)間。

圖 2：由 MCU 端口（紅色跡線）和驅(qū)動(dòng)器（藍(lán)色跡線）驅(qū)動(dòng)的 IRL540 MOSFET

Analog Devices Inc. 的 LTC7062（參見圖 3）以高達(dá) 100 V 的電源電壓驅(qū)動(dòng)兩個(gè) N 溝道 MOSFET。驅(qū)動(dòng)器可以使用不同的接地參考運(yùn)行，具有出色的抗噪性。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器對稱且相互獨(dú)立，允許互補(bǔ)或非互補(bǔ)切換。其強(qiáng)大的 0.8-Ω 下拉和 1.5-Ω 上拉允許使用大的柵極容量。

圖 3：LTC7062 柵極驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用示例（來源：Analog Devices Inc.）

結(jié)論

SiC 器件的柵極驅(qū)動(dòng)器比傳統(tǒng)器件復(fù)雜得多，因?yàn)樗鼈冞€具有監(jiān)控和保護(hù)功能。顯然，在選擇柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)還需要考慮許多其他因素。例如，建議檢查驅(qū)動(dòng)器絕緣、時(shí)序參數(shù)和抗噪性，僅舉幾例。最近，許多公司也在采用數(shù)字化方法來開發(fā)新的可配置驅(qū)動(dòng)程序。通過這種方式，設(shè)計(jì)人員可以對工作模式進(jìn)行編程，以控制電壓電平和相關(guān)工作時(shí)間。實(shí)際上，這些是可編程 MCU，能夠控制任何電氣行為，而無需對電路進(jìn)行物理修改。柵極驅(qū)動(dòng)器是真正的技術(shù)瑰寶，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該為此投入所有必要的時(shí)間和金錢。

審核編輯：湯梓紅