原创 用于电力电子器件的栅极驱动器

栅极驱动器是一种功率放大器，它接受来自控制器IC的低功耗输入，并为功率器件产生适当的高电流栅极驱动。随着对电力电子器件的要求不断提高，栅极驱动器电路的设计和性能变得越来越重要。

功率半导体器件是现代电力电子系统的核心。这些系统利用许多门控半导体器件，如普通晶体管、FET、BJT、MOSFET、IGBT 等作为开关模式电源 （SMPS）、通用电源 （UPS） 和电机驱动器中的开关元件。电力电子的现代技术发展通常跟随功率半导体器件的发展。

电力电子行业的功率电平要求和开关频率越来越高。金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET） 和绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 是大多数应用中用于中高功率开关电源的两种最受欢迎和最高效的半导体器件。

MOSFET 或 IGBT 的栅极是每个器件的电隔离控制端子。这些器件的其他端子是源极和漏极或发射极和集电极。为了工作MOSFET/IGBT，通常必须向栅极施加相对于器件源极/发射极的电压。为了驱动这些开关器件导通，栅极端子必须相对于其源极/发射极设为正极。

功率器件的开关行为受三个端子之间的寄生电容的影响，即栅极到源极（CGS）、栅极至漏极 （CGD） 和漏源到源极 （CDS），通常是非线性的，是偏置电压的函数。对栅极电容充电会使功率器件导通并允许电流在其漏极和源极端子之间流动，而放电时，它会关闭器件，并在漏极和源极端子上阻塞大电压。

功率器件的栅极电压不会增加，除非其栅极输入电容充电，并且功率器件在其栅极电压达到栅极阈值电压（V千).五世千功率器件定义为在其源极和漏极区域之间创建导通路径所需的最小栅极偏置。对于将功率器件作为开关操作，电压足以大于V千应应用于栅极和源极/发射极端子之间。

在高功率应用中，电源开关的栅极永远不能由逻辑IC（PWM控制器）的输出驱动。由于这些逻辑输出具有低电流能力，对栅极电容充电需要过多的时间，很可能比开关周期的持续时间长。因此，必须使用专用驱动器来施加电压并向功率器件的栅极提供驱动电流。这可以是一个驱动电路，也可以作为专用IC、分立晶体管或变压器实现。它也可以集成在PWM控制器IC中。

栅极驱动器是一种功率放大器，它接受来自控制器IC的低功耗输入，并为功率器件产生适当的高电流栅极驱动。当PWM控制器无法提供驱动相关功率器件栅极电容所需的输出电流时，使用它。

栅极驱动器电路是电力电子系统的组成部分。栅极驱动器是大功率电子器件和控制电路之间的重要接口，用于驱动功率半导体器件。DC-DC转换器或SMPS的输出主要取决于栅极驱动器电路的行为，这意味着如果栅极驱动器电路不能正确驱动功率器件的栅极，DC-DC转换器的输出将不符合设计要求。因此，栅极驱动电路的设计在电力电子转换器的设计中至关重要。

低边驱动器 — 用于驱动以地为参考的开关（低边开关）。

高边低边驱动器 — 用于驱动桥式布置中连接的两个开关（浮动和接地参考开关）。

电源逆变器和转换器的栅极驱动电路通常需要电气隔离，以实现功能和安全目的。监管和安全认证机构强制要求隔离，以防止电击危险。它还可以保护低压电子设备免受高功率侧电路故障和控制侧人为错误造成的任何损坏。系统中各种功能电路之间的电气隔离可防止它们之间的直接传导路径，并允许单个电路具有不同的接地电位。信号和功率仍然可以使用电感、电容或光学方法在隔离电路之间传递。

功率器件的许多应用（例如，需要高功率密度和高效率的转换器）都需要隔离式栅极驱动电路。例如，在半桥、全桥、降压、双开关正激和有源钳位正激等功率转换器拓扑中，存在高低开关，因为低边驱动器不能直接用于驱动高功率器件。高功率器件需要一个隔离式栅极驱动器，因为上部器件的源极和发射极不位于地电位（浮动）。

在带有驱动电路的简单桥式拓扑结构中，开关1的源端可以浮动在从地到直流总线电位的任何位置。因此，驱动高边开关需要两样东西：

1. 浮动电源 — 为与此浮动中点电位相关的任何电路供电。

2. 电平转换器 — 将 PWM 控制信号传送到浮动驱动器电路。

基本上，有两种常用技术可用于实现隔离式栅极驱动器：磁性（使用栅极驱动变压器）和光学（使用光耦合器）。