為什么柵極驅(qū)動器對于高性能電源開關(guān)至關(guān)重要？

柵極驅(qū)動器對于 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等寬帶隙半導(dǎo)體至關(guān)重要。這些器件在許多方面都優(yōu)于常規(guī)硅器件。這些先進(jìn)的器件具有更快的開關(guān)速度并在更高的頻率下運(yùn)行，因此需要優(yōu)化柵極驅(qū)動電路。

本常見問題解答將涵蓋基本柵極驅(qū)動器的三個(gè)方面，即串?dāng)_最小化、消除米勒效應(yīng)和防止擊穿。最后，我們以德州儀器 （TI） 的智能柵極驅(qū)動器示例結(jié)束。

最大限度地減少相支路配置中的串?dāng)_

第一個(gè)挑戰(zhàn)發(fā)生在多交換機(jī)配置中，其中交換事件可能會相互干擾。當(dāng)相位支路設(shè)置中的有源開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)閉時(shí)，雜散脈沖會通過關(guān)斷狀態(tài)開關(guān)的柵源電壓 （Vgs） 發(fā)送。這在柵極驅(qū)動器電路中稱為串?dāng)_。例如，在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)上開關(guān)進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，下開關(guān)的Vgs上會發(fā)生串?dāng)_。

可以通過提供低阻抗路徑來旁路柵漏電容器的位移電流來解決這個(gè)問題。這種布置如圖1所示，其中兩個(gè)BJT和一個(gè)二極管連接SiC MOSFET的柵極端子和負(fù)驅(qū)動器電壓。

圖 1.柵極驅(qū)動器布置與BJT和二極管，可抑制串?dāng)_，從而提高同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率。（圖片來源：電子、MDPI)

這種方法的有效性在仿真結(jié)果中顯而易見，同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率有所提高。這種情況也是柵極驅(qū)動器電路中的寄生效應(yīng)如何影響電源開關(guān)的一個(gè)例子，尤其是在涉及高頻開關(guān)時(shí)。

消除米勒效應(yīng)并降低開關(guān)損耗

雖然串?dāng)_解決了開關(guān)間干擾問題，但單個(gè)開關(guān)性能面臨其自身的局限性。其中最重要的是米勒效應(yīng)，它直接影響開關(guān)速度和效率。

米勒效應(yīng)的特征是開關(guān)期間 Vgs 中的平坦區(qū)域（米勒平臺），當(dāng)柵極漏極電容器充電時(shí)發(fā)生。這種效應(yīng)會減慢開關(guān)轉(zhuǎn)換速度，并顯著增加開關(guān)損耗，因?yàn)樗鼤?dǎo)致漏源電壓和漏源電流曲線重疊。

快速導(dǎo)通和關(guān)斷對于最大限度地減少這些損耗非常重要。柵極驅(qū)動器，尤其是諧振型柵極驅(qū)動器，可以通過回收浪費(fèi)的柵極電荷能量來顯著降低柵極損耗。圖 2 顯示了柵極驅(qū)動器原型，用于驗(yàn)證基于 GaN 的諧振柵極驅(qū)動器的使用。原型下面的表格提供了直接比較標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動器和諧振柵極驅(qū)動器性能的定量數(shù)據(jù)。

圖 2.使用諧振柵極驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)裝置及其與標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動器相比性能的改進(jìn)。（圖片來源：電子、MDPI)

實(shí)驗(yàn)表明，回收柵極電荷會浪費(fèi)能量，柵極損耗降低了 26%。結(jié)果涉及開關(guān)頻率為2.5 MHz時(shí)變化的高壓負(fù)載，凸顯了柵極驅(qū)動器在高頻應(yīng)用中的重要性。

柵極驅(qū)動器，借助軟開關(guān)防止擊穿

除了優(yōu)化單個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換外，柵極驅(qū)動器還必須防止災(zāi)難性故障模式。其中最關(guān)鍵的是射擊，它可以摧毀整個(gè)功率級。

當(dāng)半橋中的高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時(shí)使能時(shí)，就會發(fā)生擊穿或交叉導(dǎo)通。這種現(xiàn)象在電源和接地之間形成了一條低阻抗路徑，可能導(dǎo)致大的破壞性電流。在高頻應(yīng)用中，死區(qū)時(shí)間控制不足會使這個(gè)問題惡化。

在這種情況下，軟切換可能特別有用。最近的一項(xiàng)研究聲稱，軟開關(guān)導(dǎo)致開關(guān)損耗大幅降低。圖 3 總結(jié)了整個(gè)研究，其中柵極驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并緩解擊穿和振蕩等問題的能力提高了整體系統(tǒng)效率和可靠性。

圖 3.柵極驅(qū)動器電路的功率損耗擊穿 （a） 全軟開關(guān)，（b） 傳統(tǒng)硬開關(guān)。（圖片來源：《科學(xué)報(bào)告》、《自然》雜志)

智能門驅(qū)動器可用于高級控制和集成

智能門驅(qū)動器通過集成對高性能系統(tǒng)很重要的高級控制和保護(hù)功能，超越了基本的驅(qū)動功能。圖 4 顯示了此類智能柵極驅(qū)動器的示例，其中突出顯示了幾個(gè)關(guān)鍵的集成功能：

• 可調(diào)柵極驅(qū)動電流源：通過調(diào)整提供給柵極的電流，可以精確控制 MOSFET VDS 壓擺率。這對于平衡效率（較快的壓擺率可降低開關(guān)損耗）和 EMI 性能（較慢的壓擺率可減少輻射發(fā)射）至關(guān)重要。

• 穩(wěn)健的 MOSFET 開關(guān)（例如，握手、TDRIVE 狀態(tài)機(jī)）：該圖包括“握手”模塊和“過流檢測器”，表示通過確保一個(gè) MOSFET 在半橋中啟用另一個(gè) MOSFET 之前完全禁用來防止交叉?zhèn)鲗?dǎo)（擊穿）的功能。這些功能還可以檢測 MOSFET 柵極故障并防止由于 dV/dt 引起的寄生導(dǎo)通，從而提高系統(tǒng)可靠性并保護(hù)組件。

• 傳播延遲優(yōu)化：這些柵極驅(qū)動器可以通過動態(tài)電流控制方案減少傳播延遲及其失配。這有助于支持更寬的 PWM 占空比范圍，并提高電機(jī)控制等應(yīng)用的動態(tài)性能。

總結(jié)

柵極驅(qū)動器解決了使用寬禁帶半導(dǎo)體進(jìn)行高性能電源開關(guān)的三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，串?dāng)_會在柵源電壓上產(chǎn)生雜散脈沖，這可以通過使用 BJT 和二極管創(chuàng)建低阻抗旁路路徑來解決。當(dāng)柵極漏極電容器充電時(shí)，米勒效應(yīng)會導(dǎo)致開關(guān)期間出現(xiàn)平坦的電壓平臺，從而增加開關(guān)損耗。諧振柵極驅(qū)動器通過回收浪費(fèi)的柵極電荷能量來消除這種影響。當(dāng)半橋配置中的兩個(gè)MOSFET同時(shí)使能時(shí)，就會發(fā)生擊穿，從而產(chǎn)生破壞性的電流路徑。軟切換有助于更大程度地減少擊穿效應(yīng)。