栅极驱动器的重要性

碳化硅和氮化镓开关器件是所有电源电路中主要使用的元件。尽管它们在运行速度、高电压、处理电流和低功耗等固有特性方面取得了优异的成绩，但设计人员将所有注意力都集中在此类设备上，而常常忘记将自己的精力投入到相关的驱动器上。

什么是栅极驱动器？

一个好的电源电路不仅由 SiC 和 GaN MOSFET 等静态器件组成。还有栅极驱动器，它是一个位于电子开关之前的独立元件，可确保以最佳方式驱动它们的正确能量。事实上，将方波或矩形波直接发送到元件的栅极端子是不够的。另一方面，驱动信号必须适当定时以发送正确的电位，以确保振荡适合各种组件，尽可能减少寄生元件并消除功率损耗。因此，设计人员必须从最终负载的角度来执行与电路相关的项目，同时分析和创建能够以最佳方式驱动功率元件的优秀栅极驱动器。

非最佳驱动器不仅决定了显着的功率损耗，而且不完美的同步通常会导致电路的异常操作，并可能损坏 MOSFET。它们是压控器件，栅极是它们的控制端，与器件电隔离。必须通过专门的驱动器向该端子施加电压才能使MOSFET工作。

出于所有意图和目的，MOSFET 的栅极端子是一个非线性电容器。在栅极电容器上施加电荷会使器件进入“开启”状态，从而允许电流在漏极和源极端子之间流动。相反，该电容器的放电使其处于“关闭”状态。为了使 MOSFET 工作，必须在栅极和源极之间施加高于阈值电压 (VTH) 的电压，这是电容器充电的最小电压，MOSFET 进入导通状态。通常，数字系统（微控制器或 MCU）不足以激活设备，因此在控制逻辑和电源开关之间总是需要一个接口，即驱动程序。

栅极驱动器执行的主要功能之一是电平转换器。但是，栅极电容不能瞬间充电；它需要一段时间才能充满电。在这段时间内，尽管时间很短，但该设备以高电流和电压工作，以热量的形式消耗高功率。不幸的是，这种能量没有被使用并且构成功率损失。因此，从一种状态到另一种状态的转换必须非常快，以最大限度地缩短开关时间，并且为了缩短此时间，有必要促进高电流瞬态以快速为栅极电容器充电。图 1 涉及用作电子开关的 SiC MOSFET 的响应，并显示了瞬态期间各个节点上最重要的信号，特别是：

顶部的“V（脉冲）”信号代表为系统供电的 PWM 波。它是一个理想的矩形信号，频率为 100 kHz。这是一个完美的信号。

“V（栅极）”信号代表栅极端子上的实际信号。正如你所看到的，它的趋势是不规则的，因为栅极电容不是线性的，它的电压会在几分钟后达到最大水平，这是电容器充电到最大容量所需的时间。该间隔由时间常数 RC 决定，在这种情况下约为 150 ns。

“I（负载）”信号代表流过负载和漏极端子的电流。最初，当 MOSFET 打开时它为低电平，然后在 MOSFET 关闭时达到最大电平。这个序列无限重复。请注意，切换不是立即和瞬时的，而是遵循栅极电压的切换。

“V（漏极）”信号显示了V GS电压的趋势，显然，它与电流反相，始终跟随栅极电容器的充电速度。

最后一张图显示了 MOSFET 消耗的功率 ( V DS × I D )，并且与驱动信号的上升沿和下降沿相对应，它呈现出高有害峰值。这就是功率损耗，这是栅极驱动器必须尽可能减少的一个因素。

图 1：SiC MOSFET 瞬态期间各个节点的信号

为了最大限度地减少开关阶段的功耗，必须尽快对栅极电容器进行充电和放电。市场提供了特殊的电路来最小化这个过渡期。如果驱动器可以提供更高的栅极电流，则功率损耗会降低，因为功率瞬态的峰值会更短。一般来说，栅极驱动器执行以下任务：

转换电压电平以驱动栅极达到电路的预期

最大限度地减少系统的切换时间

提供大电流以快速对栅极电容器进行充电和放电

许多设计人员犯了直接通过 MCU 上的逻辑门驱动MOSFET的重大错误。一方面，它可以提供正确的电压来驱动设备，但 MCU 的门不允许高电流通过，将其自身限制为几十毫安的电源。这一事实导致栅极电容器的充电非常缓慢，这在少数情况下是不可接受的。在许多情况下，直接从 MCU 驱动功率 MOSFET 可能会因电流消耗过大而过热并损坏控制器。通过使用合适的栅极驱动器，可以最大限度地减少上升和下降时间，从而实现更高效的系统和非常低的功率损耗。

图 2 显示了栅极电容器相对于硅 MOSFET 的使用的充电和放电瞬态。该图显示了 IRL540 器件的栅极电容器充电瞬态，这是一种 MOSFET，特别适用于 MCU 的逻辑栅极电压。尽管该模型与 TTL 电压兼容，但必须始终通过使用适当的驱动器以最佳方式研究和执行栅极的驱动。在该示例中，栅极的控制通过合适的驱动器（蓝色图形）和通用 MCU 的数字输出端口（红色图形）以两种方式进行。

这两张图显示了电容器的典型充电和放电曲线，以及案例的相对非线性。在驱动信号的前沿，即对于 MOSFET 的激活，完整的瞬态时间如下：

通过驱动器对栅极电容充电：805 ns（蓝色迹线）

通过 GPIO 对栅极容量充电：11,000 ns（红色迹线）

如您所见，不正确的驱动会使 MOSFET 的激活速度非常慢，大约慢 14 倍——这是一个不可接受的时间，会导致若干开关损耗。在驱动信号的下降沿，即关断 MOSFET，完成瞬态的时间如下：

通过驱动器释放栅极电容：500 ns（蓝色迹线）

通过 GPIO 进行栅极容量放电：5,000 ns（红色迹线）

因此，同样对于关断，不正确的栅极驱动会使 MOSFET 的去激活速度非常慢，大约慢 10 倍——这也是一个不可接受的时间。

图 2：由 MCU 端口（红色迹线）和驱动器（蓝色迹线）驱动的 IRL540 MOSFET

Analog Devices Inc. 的 LTC7062（参见图 3）以高达 100 V 的电源电压驱动两个 N 沟道 MOSFET。驱动器可以使用不同的接地参考运行，具有出色的抗噪性。两个驱动器对称且相互独立，允许互补或非互补切换。其强大的 0.8-Ω 下拉和 1.5-Ω 上拉允许使用大的栅极容量。

图 3：LTC7062 栅极驱动器的应用示例（来源：Analog Devices Inc.）

结论

SiC 器件的栅极驱动器比传统器件复杂得多，因为它们还具有监控和保护功能。显然，在选择栅极驱动器时还需要考虑许多其他因素。例如，建议检查驱动器绝缘、时序参数和抗噪性，仅举几例。最近，许多公司也在采用数字化方法来开发新的可配置驱动程序。通过这种方式，设计人员可以对工作模式进行编程，以控制电压电平和相关工作时间。实际上，这些是可编程 MCU，能够控制任何电气行为，而无需对电路进行物理修改。栅极驱动器是真正的技术瑰宝，设计人员应该为此投入所有必要的时间和金钱。

　　审核编辑：汤梓红