标签: 栅极驱动

在现代各种复杂的工业电路中，栅极驱动芯片虽不常被大众提及，却扮演着至关重要的角色。栅极驱动芯片是低压控制器和高压电路之间的缓冲电路，主要用于放大控制器的控制信号，从而令功率器件实现更快速高效的导通和关断，是保障电子设备稳定、高效运行的核心元件之一。 驱动芯片的类型（按结构划分） 电力电子应用基于功率器件技术，而无论是MOSFET、IGBT，还是SiC MOSFET等功率器件都需要相应的栅极驱动芯片（Gate Driver IC）。对于工程师而言，选择一款合适的驱动芯片不仅可以简化相应电气系统的设计复杂度，还可以为项目开发节省时间，令其事半功倍。 栅极驱动芯片，电气系统中的核心助力 在光伏逆变器、储能整流器、新能源汽车与白色家电等领域中，栅极驱动芯片可向功率器件的栅极提供精确的驱动信号。以MOSFET为例，当栅极驱动芯片输出高电平时，会在MOSFET的栅极和源极之间建立起电场，使得MOSFET的沟道导通，从而允许电流从漏极流向源极；当输出低电平时，电场消失，沟道关闭，电流截止。这种精确的开关控制，能够实现对电路中电流通断的精准管理。 典型MOSFET管的结构简示图 此外，栅极驱动芯片还可以调节功率器件的开关速度。在高频应用场景中，如开关电源的频率达到几百甚至上千赫兹时，实现快速的开关速度不仅能够提高电源的转换效率，还能减少能量在开关过程中的损耗。同时，通过合理控制开关速度，还可以降低功率器件在开关过程中产生的电磁干扰（EMI），提高系统的稳定性和可靠性。 在传统电机的控制链路方案中，由于MCU/DSP等控制芯片输出的信号功率较小，无法直接驱动功率较大的功率器件。而栅极驱动芯片具有功率放大的功能，它可以将控制芯片输出的微弱信号进行放大，为功率器件的栅极提供足够的驱动电流和电压，确保功率器件能够正常工作。同时，栅极驱动芯片还可以对输入的控制信号进行滤波、整形等调理操作，去除信号中的噪声和毛刺，使驱动信号更加稳定和精确。 传统电机的控制链路方案简示图 值得一提的是，栅极驱动芯片通常还具有过流、过热、过压与欠压保护等功能，能够实时监测功率器件的电流、温度与电压，当这些参数超过设定的安全阈值时，栅极驱动芯片会迅速采取降频、关断等措施，以保护功率器件，确保相应电气系统的稳定运行。 栅极驱动芯片，市场前景持续向好 据QYResearch公布数据分析，2024 年全球栅极驱动芯片市场规模预计达到12.35亿美元，而预计到 2031年，全球栅极驱动芯片市场规模将攀升至17.42亿美元，栅极驱动芯片的市场前景持续向好。 为捉住市场机遇，同时响应国家对关键元器件自主可控的号召，大力发展新质生产力，华普微将凭借着在物联网领域的技术积淀，以及对工业自动化、智能化与数字化需求的深刻理解，精准切入栅极驱动芯片赛道。 例如，HPD2606X就是华普微近期推出的一款高压、高速功率MOSFET和IGBT驱动器。该器件采用了专有的HVIC（高压集成电路）技术及抗闩锁CMOS工艺，具有稳定的电路结构。其逻辑输入兼容标准CMOS或LSTTL电平信号，最低可支持3.3V逻辑电压。输出驱动级配置了高脉冲电流缓冲器，可有效抑制驱动信号间的交叉导通。此外，通过浮置通道设计，该器件可支持最高600V工作电压的高边配置，用于驱动N沟道功率MOSFET或IGBT器件。 HPD2606X典型应用电路简示图 当前，半桥驱动器HPD2606X已可广泛应用在家用空调、冰箱、洗衣机、烘干机、吸尘器、抽油烟机、风扇等白色家电领域与电动工具、无人机等工业场合中。展望未来，随着相关设备从“自动”走向“智能”，以及能源转换从“粗放”走向“精准”，栅极驱动芯片的重要性将日渐凸显。

硬件工程师应该都用过buck，一些buck芯片会有类似下面的自举电容，有时还会串联一个电阻。 自举式栅极驱动电路是一种特殊的电路配置，用于驱动功率型MOSFET或IGBT等开关器件。当输入电平不允许高端N沟道功率型MOSFET或IGBT使用直接式栅极驱动电路时，可以考虑使用自举式栅极驱动技术。 以下是一些关于栅极驱动IC自举电路的设计与应用指南： 设计原则： 自举电路应能够提供足够的栅极驱动电压，以确保功率开关器件的可靠开启和关闭。 自举电路应具有良好的隔离性能，以防止电源之间的干扰和故障。 自举电路应具有快速响应能力，以确保功率开关器件的快速切换。 关键元件选择： 自举二极管：选择具有高速开关特性和低正向压降的二极管，以确保自举电路的高效运行。 自举电容：选择具有足够容量和耐压的自举电容，以确保栅极驱动电压的稳定性和可靠性。 驱动IC：选择具有适当驱动能力和高可靠性的驱动IC，以确保功率开关器件的稳定运行。 布局与布线： 确保自举电路与功率开关器件之间的布局合理，以减小寄生电阻和电感，提高电路性能。 使用适当的布线技术和材料，以降低电磁干扰和信号衰减。 应用注意事项： 在实际应用中，应注意自举电路的散热问题，确保电路在高温环境下能够正常运行。 定期检查自举电路的工作状态，及时发现并处理潜在问题，以确保系统的稳定性和可靠性。 测试与验证： 在设计完成后，应对自举电路进行详细的测试和验证，以确保其满足设计要求。 在实际应用中，应定期对自举电路进行性能测试和维护，以确保其长期稳定运行。 总之，栅极驱动IC自举电路的设计与应用需要综合考虑电路性能、可靠性、散热和测试等方面的问题。通过合理的设计和选择适当的元件，可以确保自举电路的高效运行和系统的稳定性。

深度剖析IGBT栅极驱动注意事项 IGBT晶体管的结构要比 MOSFET 或双极结型晶体管 (BJT) 复杂得多。它结合了这两种器件的特点，并且有三个端子：一个栅极、一个集电极和一个发射极。就栅极驱动而言，该器件的行为类似于 MOSFET。它的载流路径与 BJT 的集电极-发射极路径非常相似。图 1 显示了 n 型 IGBT 的等效器件电路。 图 1. IGBT 的等效电路 图 2. IGBT的导通电流 为了快速导通和关断 BJT，必须在每个方向上硬驱动栅极电流，以将载流子移入和移出基极区。当 MOSFET 的栅极被驱动为高电平时，会存在一个从双极型晶体管的基极到其发射极的低阻抗路径。这会使晶体管快速导通。因此，栅极电平被驱动得越高，集电极电流开始流动的速度就会越快。基极和集电极电流如图 2 所示。 图 3. IGBT的关断电流 关断场景有点不同，如图 3 所示。当 MOSFET 的栅极电平被拉低时，BJT 中将没有基极电流的电流路径。基极电流的缺失会诱发关断过程；不过，为了快速关断，应强制电流进入基极端子。由于没有可用的机制将载流子从基极扫走，因此 BJT 的关断相对较慢。这导致了一种被称为尾电流的现象，因为基极区中存储的电荷必须被发射极电流扫走。 1 kW) 电路。谐振拓扑最大程度降低了开关损耗，因为它们要么是零电压开关，要么是零电流开关。 较慢的 dv/dt 速率可以提高 EMI 性能（当涉及这方面问题时），并在导通和关断转换期间减少尖峰的形成。这是以降低效率为代价的，因为此时导通和关断的时间会比较长。 MOSFET 存在一种称为二次导通的现象。这是由于漏电压的 dv/dt 速率非常快，其范围可以在 1000–10000 V/us 之间。尽管 IGBT 的开关速度通常不如 MOSFET 快，但由于所使用的是高电压，因此它们仍然可以遭遇非常高的 dv/dt 电平。如果栅极 电阻 过高，就会导致二次导通。 图 4. 带有寄生 电容 的IGBT 在这种情况下，当 驱动器 将栅极电平拉低时，器件开始关断，但由于 Cgc 和 Cge 分压器的原因，集电极上的电压升高会在栅极上产生电压。如果栅极电阻过高，栅极电压可升高到足以使器件重新导通。这将导致大功率脉冲，从而可能引发过热，在某些情况下甚至会损坏器件。 该问题的限制公式为： 其中， ● dv/dt 为关断时集电极上电压波形上升的速率 ● Vth为栅极的平台电平 ● Rg为总栅极电阻 ● Cgc 为栅极-发射极电容 应注意，数据表上的 Ciss 是 Cge 和 Cgc 电容的并联等效值。 类似地，Rg 是栅极驱动器阻抗、物理栅极电阻和内部栅极电阻的串联和。内部栅极电阻有时可根据数据表计算出来。如果计算不出来，可通过以下方式进行测量：使用 LCR 电桥并使集电极-发射极引脚短路，然后在接近开关频率的频率下测量等效串联 RC。 如果使用的是 FET 输出级，则可以在其数据表中找到驱动器阻抗。如果无法在数据表上找到，可通过将峰值驱动电流取为其额定 VCC 电平来进行近似计算。 因此，最大总栅极电阻为： 最大 dv/dt 是基于栅极驱动电流以及 IGBT 周围的电路阻抗。如果将高值电阻器用于栅极驱动，则需要在实际电路中进行验证。图 5 显示了同一 电机 控制电路中三个不同 IGBT 的关断波形。在此应用中，dv/dt 为 3500 V/s。 图 5. 三个IGBT的关断波形 对于该情况而言，IGBT #2 的典型 Cgc 为 84 pF，而阈值栅极电压为 7.5 V（在 15 A 的条件下）。 利用上述公式，该电路的最大总栅极电阻为： Rg < 25.5 Ω。 因此，如果内部栅极电阻为 2Ω，驱动器阻抗为 5Ω，则所使用的绝对最大栅极电阻应为 18Ω。实际上，由于 IGBT、驱动器、板阻抗和温度的变化，建议采用一个较小的最大值（例如 12Ω）。 买电子元器件现货唯样商城 图 6. 等效栅极驱动电路 去除外部栅极电阻器可能会获得最佳的高频性能，同时确保不会发生二次导通。在某些情况下，这可能会起作用，但也可能由于栅极驱动电路中的阻抗而导致振荡。 栅极驱动电路为串联 RLC 谐振电路。电容主要源于 IGBT 寄生电容。所示的两个电感则源自 IGBT 和驱动器的板走线电感与焊线电感的组合。 在栅极电阻很小或没有栅极电阻的情况下，谐振电路将会振荡并造成 IGBT 中的高损耗。此时需要有足够大的栅极电阻来抑制谐振电路，从而消除振荡。 由于电感难以测量，因此也就很难计算适合的电阻。要最大程度降低所需的最小栅极电阻，最佳方案是采用良好的布局程序。 驱动器与 IGBT 栅极之间的路径应尽可能短。这适用于栅极驱动的整个电路路径以及接地回路路径。如果控制器不包括集成驱动器，则将 IGBT 驱动器置于 IGBT 的栅极附近要比将栅极驱动器的输入置于控制器的 PWM 输出端更为重要。从控制器到驱动器的电流非常小，因此相比从驱动器到 IGBT 的高电流和高 di/dt 电平所造成的影响，任何杂散电容的影响都要小得多。短而宽的走线是最大程度降低电感的最佳方式。 典型的最小驱动器电阻范围为 2Ω至 5Ω。这其中包括驱动器阻抗、外部电阻值和内部 IGBT 栅极电阻值。一旦设计好板的布局，即可确定并优化栅极电阻值。 本文给出了最大和最小栅极电阻值的指南。在这些限值之间有一个取值范围，藉此可以对电路进行调谐，从而获得最大效率、最小 EMI 或其他重要参数。在电路设计中取一个介于这些极值之间的安全值可确保设计的稳健。 参考文献 《 Power Semiconductor Device s》（功率半导体器件），B. Jayant Baliga，P WS Publishing Company，Boston。ISBN 0−534−94098−6