柵極驅(qū)動(dòng)器的作用：如調(diào)酒師手上的肌肉

記得今年早些時(shí)候的一篇博客文章將功率因數(shù)校正（PFC）比作啤酒嗎？這個(gè)比喻太精彩了！在這一類比中，杯中啤酒代表電子裝置實(shí)際上需要的“有功功率”，頂部的泡沫代表“無(wú)功功率”，整杯啤酒加上泡沫代表“表觀功率”。今天，我打算提出一個(gè)相關(guān)的比喻來(lái)解釋柵極驅(qū)動(dòng)器在PFC設(shè)計(jì)中的作用。

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首先，讓我們來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下PFC電路的分類。PFC電路整體上分為無(wú)源（被動(dòng)式）或有源（主動(dòng)式）電路。創(chuàng)建無(wú)源PFC電路，需要使用電容器和電感器等無(wú)源元件增加電流導(dǎo)通角并平滑脈沖，減少電流的諧波失真。這種方法簡(jiǎn)單可靠，但是，當(dāng)功率較高時(shí)，無(wú)源元件的尺寸和成本會(huì)成為較大的問(wèn)題。無(wú)源PFC設(shè)計(jì)獲得的功率因數(shù)（PF）只能達(dá)到0.9，而且會(huì)受到頻率、負(fù)載變化和輸入電壓的影響。

有源PFC使用DC/DC電路，電路中有MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或其他有源元件，以強(qiáng)制電流保持電壓的波形和相位。與無(wú)源PFC相比，有源PFC可以獲得更高的PF，而且對(duì)輸入電壓沒(méi)有嚴(yán)格要求。有源PFC的缺點(diǎn)包括相對(duì)復(fù)雜的電路；效率也會(huì)受到有源元件損耗的影響。

可以使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)有源PFC電路，例如升壓PFC（也稱為傳統(tǒng)PFC）、雙升壓無(wú)橋PFC和圖騰柱無(wú)橋PFC。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含不同數(shù)量的有源元件，都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)PFC時(shí)，應(yīng)該考慮每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率和額定功率，然后決定使用哪種類型的控制器。然而，許多設(shè)計(jì)者忽視的部分是連接控制器切換FET的柵極驅(qū)動(dòng)器。柵極驅(qū)動(dòng)器顯得太普通而不被人關(guān)注，但是柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)于系統(tǒng)性能具有重要作用。

柵極驅(qū)動(dòng)器本質(zhì)上是用最少的開關(guān)損耗將邏輯信號(hào)提高為高電流和高電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET或IGBT的放大器。同樣以與啤酒相關(guān)東西來(lái)類比，電源開關(guān)MOSFET或IGBT就像是啤酒龍頭手柄，柵極驅(qū)動(dòng)就像調(diào)酒師手上的肌肉，控制器就像調(diào)酒師大腦。調(diào)酒師的技能和龍頭手柄的質(zhì)量都會(huì)影響杯中實(shí)際能夠得到的啤酒量。

在PFC電路中，柵極驅(qū)動(dòng)器切換升壓級(jí)中的晶體管，以調(diào)節(jié)電流，強(qiáng)制電流與正弦波電壓保持相同的相位。那么，柵極驅(qū)動(dòng)器如何影響PFC電路的性能？幾個(gè)參數(shù)和功能起著至關(guān)重要的作用：

驅(qū)動(dòng)電流。雖然不是每個(gè)應(yīng)用都需要強(qiáng)大的電流驅(qū)動(dòng)（較大的瞬態(tài)電流可能產(chǎn)生電磁干擾（EMI）問(wèn)題），較高功率的應(yīng)用將需要更強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。因此，高驅(qū)動(dòng)電流為范圍廣闊的功率應(yīng)用提供了靈活性。

開關(guān)特性。包括傳播延遲、延遲匹配、以及信號(hào)的上升和下降時(shí)間。開關(guān)時(shí)間會(huì)大大地影響電源開關(guān)的速度，使控制更可預(yù)測(cè)和準(zhǔn)確。短延遲匹配還降低了擊穿風(fēng)險(xiǎn)，使設(shè)計(jì)更容易。

互鎖功能。擊穿保護(hù)，也稱為互鎖功能，在使用半橋式或全橋式電路的一些應(yīng)用中非常重要。在圖騰柱PFC中，兩個(gè)電源開關(guān)（一個(gè)高側(cè)FET，一個(gè)低側(cè)FET）交替導(dǎo)通和關(guān)斷。如果兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，電流會(huì)流過(guò)兩個(gè)FET，可能會(huì)損壞系統(tǒng)?；ユi功能可以防止擊穿發(fā)生,將兩個(gè)FET都關(guān)斷，并在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通其中一個(gè)。正如德州儀器的《基于GaN FET的CCM圖騰柱無(wú)橋PFC》電源設(shè)計(jì)研討會(huì)論文中所描述，此設(shè)計(jì)使用兩個(gè)硅MOSFET和兩個(gè)氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)降低傳導(dǎo)損耗。需要兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器：一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)常規(guī)硅MOSFET，另一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)GaN晶體管。TI的600V?LMG3410?GaN功率級(jí)將橋式驅(qū)動(dòng)器和GaN晶體管集成到一個(gè)封裝內(nèi)，進(jìn)一步降低了功耗，改善了EMI。為了驅(qū)動(dòng)硅FET，具有互鎖功能的橋式驅(qū)動(dòng)器提高了設(shè)計(jì)的可靠性。

隨著更多國(guó)家的法規(guī)強(qiáng)制要求更高的效率，PFC將在各種應(yīng)用中使用的越來(lái)越多。明智地選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件可以讓PFC更高效，滿足需求。而且不要忘了柵極驅(qū)動(dòng)器——調(diào)酒師手上的肌肉。

現(xiàn)在已經(jīng)了解了柵極驅(qū)動(dòng)器的重要性，但在PFC設(shè)計(jì)中大腦起著更重要的作用。德州儀器提供了廣泛的PFC控制器解決方案，包括用于單相和多相交錯(cuò)PFC的模擬和數(shù)字控制器。

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