為什么柵極驅動器對于高性能電源開關至關重要？

柵極驅動器對于 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等寬帶隙半導體至關重要。這些器件在許多方面都優于常規硅器件。這些先進的器件具有更快的開關速度并在更高的頻率下運行，因此需要優化柵極驅動電路。

本常見問題解答將涵蓋基本柵極驅動器的三個方面，即串擾最小化、消除米勒效應和防止擊穿。最后，我們以德州儀器 （TI） 的智能柵極驅動器示例結束。

最大限度地減少相支路配置中的串擾

第一個挑戰發生在多交換機配置中，其中交換事件可能會相互干擾。當相位支路設置中的有源開關導通或關閉時，雜散脈沖會通過關斷狀態開關的柵源電壓 （Vgs） 發送。這在柵極驅動器電路中稱為串擾。例如，在同步降壓轉換器中，當上開關進行開關轉換時，下開關的Vgs上會發生串擾。

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問題。這種布置如圖1所示，其中兩個BJT和一個二極管連接SiC MOSFET的柵極端子和負驅動器電壓。

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

這種方法的有效性在仿真結果中顯而易見，同步降壓轉換器的效率有所提高。這種情況也是柵極驅動器電路中的寄生效應如何影響電源開關的一個例子，尤其是在涉及高頻開關時。

消除米勒效應并降低開關損耗

雖然串擾解決了開關間干擾問題，但單個開關性能面臨其自身的局限性。其中最重要的是米勒效應，它直接影響開關速度和效率。

米勒效應的特征是開關期間 Vgs 中的平坦區域（米勒平臺），當柵極漏極電容器充電時發生。這種效應會減慢開關轉換速度，并顯著增加開關損耗，因為它會導致漏源電壓和漏源電流曲線重疊。

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

圖 2.使用諧振柵極驅動器的實驗裝置及其與標準柵極驅動器相比性能的改進。（圖片來源：電子、MDPI)

實驗表明，回收柵極電荷會浪費能量，柵極損耗降低了 26%。結果涉及開關頻率為2.5 MHz時變化的高壓負載，凸顯了柵極驅動器在高頻應用中的重要性。

柵極驅動器，借助軟開關防止擊穿

除了優化單個開關轉換外，柵極驅動器還必須防止災難性故障模式。其中最關鍵的是射擊，它可以摧毀整個功率級。

當半橋中的高側和低側MOSFET同時使能時，就會發生擊穿或交叉導通。這種現象在電源和接地之間形成了一條低阻抗路徑，可能導致大的破壞性電流。在高頻應用中，死區時間控制不足會使這個問題惡化。

在這種情況下，軟切換可能特別有用。最近的一項研究聲稱，軟開關導致開關損耗大幅降低。圖 3 總結了整個研究，其中柵極驅動器實現軟開關并緩解擊穿和振蕩等問題的能力提高了整體系統效率和可靠性。

圖 3.柵極驅動器電路的功率損耗擊穿 （a） 全軟開關，（b） 傳統硬開關。（圖片來源：《科學報告》、《自然》雜志)

智能門驅動器可用于高級控制和集成

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

• 可調柵極驅動電流源：通過調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損耗）和 EMI 性能（較慢的壓擺率可減少輻射發射）至關重要。

• 穩健的 MOSFET 開關（例如，握手、TDRIVE 狀態機）：該圖包括“握手”模塊和“過流檢測器”，表示通過確保一個 MOSFET 在半橋中啟用另一個 MOSFET 之前完全禁用來防止交叉傳導（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 引起的寄生導通，從而提高系統可靠性并保護組件。

• 傳播延遲優化：這些柵極驅動器可以通過動態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，并提高電機控制等應用的動態性能。

總結

柵極驅動器解決了使用寬禁帶半導體進行高性能電源開關的三個關鍵挑戰。在開關轉換期間，串擾會在柵源電壓上產生雜散脈沖，這可以通過使用 BJT 和二極管創建低阻抗旁路路徑來解決。當柵極漏極電容器充電時，米勒效應會導致開關期間出現平坦的電壓平臺，從而增加開關損耗。諧振柵極驅動器通過回收浪費的柵極電荷能量來消除這種影響。當半橋配置中的兩個MOSFET同時使能時，就會發生擊穿，從而產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。