為什么要擔(dān)心柵極驅(qū)動(dòng)器的電源？

多年來(lái)，各種類型、大小和速度的處理器都是一般媒體關(guān)注的迷人主題以及主要的研發(fā)投資。與此同時(shí)，功率器件——主要是基于硅的 MOSFET 和 IGBT——顯然被低估了，并且作為本應(yīng)乏味的功率利基市場(chǎng)的一部分在背景中萎靡不振。

過(guò)去幾年情況確實(shí)發(fā)生了變化，因?yàn)楣β势骷?，尤其是基?a href="http://ttokpm.com/tags/氮化鎵/" target="_blank">氮化鎵和碳化硅工藝技術(shù)的功率器件，正在獲得大量關(guān)注和投資。在這里提供具體的美元金額是不切實(shí)際的，因?yàn)樗茈y衡量；有很多合理的方式來(lái)看待細(xì)節(jié)，也有很多方式可以解釋這種關(guān)注。盡管如此，毫無(wú)疑問(wèn)，在電動(dòng)汽車、綠色倡議和許多其他因素的推動(dòng)下，電力設(shè)備是目前發(fā)生許多可見(jiàn)活動(dòng)的地方。

但是與電源相關(guān)的電路設(shè)計(jì)并不僅僅依賴于它們的電源設(shè)備。柵極驅(qū)動(dòng)器通常是除較小功率器件外的所有器件的獨(dú)立器件，在管理功率器件、確保其滿足其性能潛力并確保與電壓擺幅、電流、導(dǎo)通/開(kāi)啟/關(guān)斷壓擺率、寄生電感和電容等都受到尊重和遵循。

事實(shí)上，使柵極驅(qū)動(dòng)器成為開(kāi)關(guān)功率器件的親密和合適的伙伴是設(shè)計(jì)過(guò)程的重要組成部分。正確的選擇可以使功率器件滿足目標(biāo)規(guī)格，而次優(yōu)的失配可能會(huì)抵消其大部分潛力，甚至?xí)p壞或毀壞它。因此，柵極驅(qū)動(dòng)器有自己的一套應(yīng)用筆記和設(shè)計(jì)指南；有些是特定于設(shè)備的，而另一些則更通用（參見(jiàn)參考資料）。

然而，在這種關(guān)系中還有另一個(gè)有點(diǎn)沉默的伙伴，它在幕后并且很容易被忽視，直到周期的后期：柵極驅(qū)動(dòng)器自己的電源，幾乎總是一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。雖然電源設(shè)備通過(guò)負(fù)載有自己的電源軌，但柵極驅(qū)動(dòng)器需要自己的電源軌，該電源軌必須與驅(qū)動(dòng)器/電源設(shè)備組合的細(xì)節(jié)相匹配（圖 1）。

圖 1：在這個(gè)完整電源系統(tǒng)鏈的風(fēng)格化視圖中，通常有一個(gè)用于處理器及其支持的低壓軌，以及一個(gè)用于負(fù)載的軌，而柵極驅(qū)動(dòng)器通常需要自己的電源，具體取決于驅(qū)動(dòng)器和電源設(shè)備配對(duì)。

為什么要擔(dān)心柵極驅(qū)動(dòng)器的電源？

當(dāng)我看到Murata Power Systems的應(yīng)用說(shuō)明“柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)用說(shuō)明：IGBT/MOSFET/SiC/GaN 柵極驅(qū)動(dòng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器”時(shí)，我想起了這個(gè)顯而易見(jiàn)但很容易被忽視的現(xiàn)實(shí)。本說(shuō)明著眼于驅(qū)動(dòng)器的一些注意事項(xiàng)，以及它們?nèi)绾畏从车津?qū)動(dòng)器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為其電源。

第一點(diǎn)是，在許多電路拓?fù)渲?，例如廣泛使用的橋式布置，驅(qū)動(dòng)器及其 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要與高側(cè)功率器件一起與地電隔離；在某些情況下，高端和低端器件都需要隔離。

但這僅僅是開(kāi)始。事實(shí)證明，雙極 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器可能不需要對(duì)稱，但可以與具有比正電壓更低的負(fù)電壓軌的驅(qū)動(dòng)器有效地工作。只需要降低的負(fù)輸出電壓就可以在設(shè)計(jì)或指定 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率處理能力時(shí)提供更大的靈活性。例如，除了更常見(jiàn)的對(duì)稱雙極性值之外，村田 DC/DC 對(duì)還包括 20-V/–5-V 和 18-V/–2.5-V 單元。

正如 Murata 注釋所指出的那樣，“雖然柵極上的 0 V 對(duì)許多器件來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，但通常在 –5 V 和 –10 V 之間的負(fù)電壓可以實(shí)現(xiàn)由柵極電阻器控制的快速開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器參考之間的任何發(fā)射極電感 L ［圖 2中的點(diǎn) X ］ 在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)會(huì)導(dǎo)致相反的柵極-發(fā)射極電壓。雖然電感可能很小，但僅 5 nH 就會(huì)以 1，000 A/μs 的 di/dt 產(chǎn)生 5V，這并不罕見(jiàn)（5 nH 只是幾毫米的有線連接）。適當(dāng)?shù)呢?fù)驅(qū)動(dòng)可確保柵極-發(fā)射極關(guān)斷電壓實(shí)際上總是為零或更低?！?/p>

圖 2：由于不可避免的雜散電感 L，負(fù) di/dt 在發(fā)射極上產(chǎn)生負(fù)電壓，與關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷電壓相反。（來(lái)源：村田電力系統(tǒng)）

還需要考慮 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器提供的負(fù)載會(huì)在驅(qū)動(dòng)功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)突然發(fā)生變化。Murata 的說(shuō)明也明確指出：“在驅(qū)動(dòng)電路電壓軌處于正確值之前，不應(yīng)由 PWM 信號(hào)主動(dòng)驅(qū)動(dòng) IGBT/MOSFET。然而，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng) DC/DC 上電或斷電時(shí)，即使 PWM 信號(hào)處于非活動(dòng)狀態(tài)，也可能會(huì)導(dǎo)致器件被驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟的瞬態(tài)條件，從而導(dǎo)致?lián)舸┖蛽p壞。因此，DC/DC 輸出在上電和斷電時(shí)應(yīng)該表現(xiàn)良好，具有單調(diào)的上升和下降。” 是的，我們知道這一點(diǎn)，但是否適當(dāng)考慮了這一方面？該說(shuō)明指出了為柵極驅(qū)動(dòng)器選擇合適的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)的一些問(wèn)題。

有時(shí)我會(huì)擔(dān)心，對(duì)工程師的多維要求不會(huì)導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)合理，因?yàn)槊鎸?duì)不可避免的權(quán)衡，有太多相互矛盾的期望。然而，盡管我擔(dān)心，但我看到許多非常好的設(shè)計(jì)以某種方式設(shè)法滿足，達(dá)到可接受甚至要求的水平，對(duì)它們提出的許多電氣、環(huán)境、監(jiān)管、熱、效率、成本、生產(chǎn)和其他重疊的要求。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)器 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的屬性是這些挑戰(zhàn)的又一組挑戰(zhàn)，具有許多可以應(yīng)對(duì)的自由度。不幸的是，公眾并不欣賞這一點(diǎn)，并且可能認(rèn)為這很容易。這就是為什么當(dāng)政客們?yōu)閷?shí)現(xiàn)某些值得稱贊的目標(biāo)制定形式和進(jìn)展速度時(shí)，我感到特別令人擔(dān)憂。像那么簡(jiǎn)單就好了。

參考

德州儀器?！?MOSFET 和 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器電路的基礎(chǔ)知識(shí)”

紅外/英飛凌?！?HEXFET 功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)特性和要求”，應(yīng)用筆記 AN-937。

德州儀器?！?UCC2122x 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的共模瞬態(tài)抗擾度 （CMTI） ”

“功率 MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路”，應(yīng)用筆記 AN524。