栅极驱动器

<font color="#004a85">作者：Juan Carlos Rodriguez和Martin Murnane</font>

<strong>简介</strong>

电动汽车、可再生能源和储能系统等电源发展技术的成功取决于电力转换方案能否有效实施。电力电子转换器的核心包含专用半导体器件和通过栅极驱动器控制这些新型半导体器
件开和关的策略。

目前最先进的宽带器件，如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)半导体具有更高的性能，如600 V至2000 V的高电压额定值、低通道阻抗，以及高达MHz范围的快速切换速度。这些提高了栅
极驱动器的性能要求，例如，通过去饱和以得到更短的传输延迟和改进的短路保护。

本应用笔记展示了ADuM4136栅极驱动器的优势，这款单通道器件的输出驱动能力高达4 A，最大共模瞬变抗扰度(CMTI)为150 kV/μs，并具有包括去饱和保护的快速故障管理功能......

在电源电子（例如驱动技术）中，IGBT（隔离式栅极驱动器 - Insulated Gate Bipolar Transistor）经常用作高电压和高电流开关。这些功率晶体管由电压控制，其主要损耗产生于开关期间。为了最大程度减小开关损耗，要求具备较短的开关时间。

然而，快速开关同时隐含着高压瞬变的危险，这可能会影响甚至损坏处理器逻辑。因此，需要为IGBT提供合适栅极信号的栅极驱动器，还需要执行提供短路保护并影响开关速度的功能。然而，在选择栅极驱动器时，某些特性也是至关重要的。

<strong><font color="#FF0000">Bernhard Strzalkowski博士 ADI公司</font> </strong>

<strong>摘要</strong>

本文通过故意损坏IGBT/MOSFET功率开关来研究栅极驱动器隔离栅的耐受性能。

在高度可靠、高性能的应用中，如电动/混合动力汽车，隔离栅级驱动器需要确保隔离栅在所有情况下完好无损。随着Si-MOSFET/IGBT不断改进，以及对GaN和SiC工艺技术的引进，现代功率转换器/逆变器的功率密度不断提高。因此，需要高度集成、耐用的新型隔离式栅极驱动器。这些驱动器的电隔离装置体积小巧，可集成到驱动器芯片上。这种电隔离可以通过集成高压微变压器或电容器来实现。1, 2, 3 一次意外的系统故障均可导致功率开关甚至整个功率逆变器损坏和爆炸。因此，需要针对高功率密度逆变器研究如何安全实施栅级驱动器的隔离功能。必须测试和验证最坏情况下（功率开关被毁坏）隔离栅的可靠性......

<strong>是否需要专门的栅极驱动器来提供正负电压？</strong>

不需要。可以调整单极性栅极驱动器，改用双极性方式驱动。

如果一个特殊的功率器件需要正负栅极驱动，电路设计人员无需特别寻找可进行双极性操作的特殊栅极驱动器。使用一个简单的技巧，就可以使单极性栅极驱动器提供双极性电压！

当驱动中/高功率MOSFET和IGBT时，一旦功率器件上的电压变化速率较高，就会存在密勒效应导通风险。电流通过栅极-漏极电容或栅极-集电极电容注入到功率器件的栅极。如果电流注入足够大，使栅极电压高于器件的阈值电压，则可以观察到寄生导通效应，从而导致效率降低，甚至出现器件故障。

通过使用一个从功率器件栅极到源极或漏极的超低阻抗路径，或者通过为栅极提供一个相对于源极或漏极的负驱动电压，可以缓解密勒效应。密勒效应导通缓解技术的目标是当通过密勒电容的电流达到尖峰时，保持栅极电压在期望的阈值以下。

某些功率器件类型的完全关断甚至需要负电压，必须要求来自栅极驱动器的负电压驱动。器件制造商建议使用负栅极驱动电压的器件包括标准的硅基MOSFET、IGBT、SiC和GaN器件。

<strong>摘要</strong>

IGBT/功率MOSFET是一种电压控制型器件，可用作电源电路、电机驱动器和其它系统中的开关元件。栅极是每个器件的电气隔离控制端。MOSFET的另外两端是源极和漏极，而对于IGBT，它们被称为集电极和发射极。为了操作MOSFET/IGBT，通常须将一个电压施加于栅极（相对于器件的源极/发射极而言）。使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。本文讨论栅极驱动器是什么，为何需要栅极驱动器，以及如何定义其基本参数，如时序、驱动强度和隔离度。

<strong>需要栅极驱动器</strong>

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成一个非线性电容。给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引脚之间流动，而放电则会使器件关断，漏极和源极引脚上就可以阻断大电压。当栅极电容充电且器件刚好可以导通时的最小电压就是阈值电压(VTH)。为将IGBT/功率MOSFET用作开关，应在栅极和源极/发射极引脚之间施加一个充分大于VTH 的电压。

<p><span>进入这一部分之前，让我们回顾一下</span><span><a href="http://mouser.eetrend.com/content/2017/100009432.html"><span>第1部分</span…;：</span></p>

<p><span>无刷直流电机很酷（可以帮您结交朋友）。</span></p>

<p><span>没有人喜欢谈论实际的硬件（但是我打算这么做）。</span></p>

<p><span>分立式和集成式栅极驱动器各有优缺点。</span></p>