IGBT/功率MOSFET是一種電壓控製型器件，可用作電源電路、電機驅動器和其它係統中的開關元件。柵極是每個器件的電氣隔離控製端。MOSFET的另外兩端是源極和漏極，而對於IGBT，它們被稱為集電極和發射極。為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個電壓施加於柵極（參考器件的源極/發射極）。專用驅動器被用來向功率器件的柵極施加電壓並提供驅動電流。本文討論柵極驅動器是什麼
，為何需要柵極驅動器
，以及如何定義其基本參數，如時序、驅動強度和隔離度。

 

 

IGBT/功率MOSFET的結構使得柵極和源極/fashejizhijianxingchengyigefeixianxingdianrong。geizhajidianrongchongdianhuishigonglvqijiandaotong，bingyunxudianliuzaiqiloujiheyuanjiyinjiaozhijianliudong，erfangdianzehuishiqijianguanduan，loujiheyuanjiyinjiaoshangjiukeyizuduandadianya。dangzhajidianrongchongdianqieqijianganghaokeyidaotongshidezuixiaodianyajiushiyuzhidianya(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開關，應在柵極和源極/發射極引腳之間施加一個充分大於VTH的電壓。

 

考慮一個具有微控製器的數字邏輯係統，其I/O引腳之一上可以輸出一個0 V至5 V的PWM信號。這種PWM將不足以使電源係統中使用的功率器件完全導通，因為功率器件的驅動電壓一般超過標準CMOS/TTL邏輯電壓。因此，邏輯/控製電路和高功率器件之間需要一個接口。這可以通過驅動一個邏輯電平n溝道MOSFET

，其進而驅動一個功率MOSFET來實現
，如圖1a所示。

 

圖1. 用反相邏輯驅動功率MOSFET
 

如圖1a所示，當IO1發出一個低電平信號時，VGSQ1

 

如果VDD > VTHQ2，則Q2導通，可以傳導電流。當IO1輸出高電平時
，Q1導通，CGQ2通過Q1放電。VDSQ1 ~ 0 V
，使得VGSQ2

 

這種設置的一個問題是Q1導通狀態下R1的功耗。為了解決此問題，pMOSFET Q3可以作為上拉器件，其以與Q1互補的方式工作，如圖1b所示。PMOS具有較低導通電阻和非常高的關斷電阻，驅動電路中的功耗大大降低。為在柵極轉換期間控製邊沿速率
，Q1的漏極和Q2的柵極之間外加一個小電阻。使用MOSFET的另一個優點是其易於在裸片上製作
，而製作電阻則相對較難。這種驅動功率開關柵極的獨特接口可以單片IC的形式創建
，該IC接受邏輯電平電壓並產生更高的功率輸出。此柵極驅動器IC幾乎總是會有其他內部電路來實現更多功能
，但它主要用作功率放大器和電平轉換器。

 

驅動強度：提供適當柵極電壓的問題通過柵極驅動器來解決，柵極驅動器執行電平轉換任務。不過，柵極電容無法瞬間改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具(ju)有(you)非(fei)零(ling)的(de)有(you)限(xian)切(qie)換(huan)間(jian)隔(ge)時(shi)間(jian)。在(zai)切(qie)換(huan)期(qi)間(jian)，器(qi)件(jian)可(ke)能(neng)處(chu)於(yu)高(gao)電(dian)流(liu)和(he)高(gao)電(dian)壓(ya)狀(zhuang)態(tai)
，這(zhe)會(hui)產(chan)生(sheng)功(gong)耗(hao)並(bing)轉(zhuan)化(hua)為(wei)熱(re)量(liang)。因(yin)此(ci)，從(cong)一(yi)個(ge)狀(zhuang)態(tai)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)狀(zhuang)態(tai)的(de)轉(zhuan)換(huan)需(xu)要(yao)很(hen)快(kuai)，以(yi)盡(jin)可(ke)能(neng)縮(suo)短(duan)切(qie)換(huan)時(shi)間(jian)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)點(dian)
，需(xu)要(yao)高(gao)瞬(shun)變(bian)電(dian)流(liu)來(lai)使(shi)柵(zha)極(ji)電(dian)容(rong)快(kuai)速(su)充(chong)電(dian)和(he)放(fang)電(dian)。

 

圖2. 無柵極驅動器的MOSFET導通轉換
 

能夠在更長時間內提供/吸收更高柵極電流的驅動器
，切換時間會更短，因而其驅動的晶體管內的開關功耗也更低。

 

圖3. 有柵極驅動器的MOSFET導通轉換
 

微控製器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通常可達數十毫安，而柵極驅動器可以提供高得多的電流。圖2中，當功率MOSFET由微控製器I/O引腳以最大額定拉電流驅動時
，觀察到切換時間間隔較長。如圖3所示
，采用ADuM4121隔離式柵極驅動器時，轉換時間大大縮短
；當驅動同一功率MOSFET時，該驅動器相比微控製器I/O引腳能夠提供高得多的驅動電流。很多情況下
，由於數字電路可能會透支電流，直接用微控製器驅動較大功率MOSFET/IGBTkenenghuishikongzhiqiguore，jinershousun。zhajiqudongqijuyougenggaoqudongnengli
，zhichikuaisuqiehuan，shangshenghexiajiangshijianzhiyoujinamiao。zhekeyijianshaokaiguangonglvsunhao，tigaoxitongxiaolv。yinci，qudongdianliutongchangbeirenweishixuanzezhajiqudongqidezhongyaozhibiao。

 

與驅動電流額定值相對應的是柵極驅動器的漏源導通電阻(RDS(ON))。理想情況下，MOSFET完全導通時的RDS(ON)值應為零，但由於其物理結構，該阻值一般在幾歐姆範圍內。這考慮了從漏極到源極的電流路徑中的總串聯電阻。

 

RDS(ON)是柵極驅動器最大驅動強度額定值的真正基礎，因為它限製了驅動器可以提供的柵極電流。內部開關的RDS(ON)決定灌電流和拉電流
，但外部串聯電阻用於降低驅動電流


，因此會影響邊沿速

率。如圖4所示，高端導通電阻和外部串聯電阻REXT構成充電路徑中的柵極電阻，低端導通電阻和REXT構成放電路徑中的柵極電阻。

 

圖4. 具有MOSFET輸出級和功率器件作為電容的柵極驅動器的RC電路模型
 

RDS(ON)也會直接影響驅動器內部的功耗。對於特定驅動電流，RDS(ON)值越低

，則可以使用的REXT值越高。功耗分布在REXT和RDS(ON)上，因此REXT值越高，意味著驅動器外部的功耗越多。所以
，對於給定芯片麵積和尺寸的IC，為了提高係統效率並放寬驅動器內的熱調節要求，RDS(ON)值越低越好。

 

圖5. ADuM4120柵極驅動器和時序波形
 

 

柵極驅動器時序參數對評估其性能至關重要。包括ADuM4120在內的所有柵極驅動器的一個常見時序規格（如圖5所示）是驅動器的傳播延遲(tD)，其定義為輸入邊沿傳播到輸出所需的時間。如圖5所示

，上升傳播延遲(tDLH)可以定義為輸入邊沿升至輸入高閾值(VIH)以上到輸出升至最終值10%以上的時間。類似地，下降傳播延遲(tDHL)可以表述為從輸入邊沿降至輸入低閾值VIL以下到輸出降至其高電平90%以下的時間。輸出轉換的傳播延遲對於上升沿和下降沿可能不同。

 

圖5還(hai)顯(xian)示(shi)了(le)信(xin)號(hao)的(de)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)。這(zhe)些(xie)邊(bian)沿(yan)速(su)率(lv)受(shou)到(dao)器(qi)件(jian)可(ke)提(ti)供(gong)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)的(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)它(ta)們(men)也(ye)取(qu)決(jue)於(yu)所(suo)驅(qu)動(dong)的(de)負(fu)載(zai)
，這(zhe)在(zai)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)計(ji)算(suan)中(zhong)並(bing)未(wei)考(kao)慮(lv)。另(ling)一(yi)個(ge)時(shi)序(xu)參(can)數(shu)是(shi)脈(mai)寬(kuan)失(shi)真(zhen)，其(qi)為(wei)同(tong)一(yi)器(qi)件(jian)的(de)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)之(zhi)差(cha)。因(yin)此(ci)，脈(mai)寬(kuan)失(shi)真(zhen)(PWD) = |tDLH – tDHL|。

 

由於不同器件內的晶體管不匹配，兩個器件的傳播延遲不會完全相同。這會導致傳播延遲偏斜(tSKEW)，其定義為兩個不同器件在相同工作條件下對同一輸入作出響應時，輸出轉換之間的時間差。

 

如圖5suoshi，chuanboyanchipianxiebeidingyiweiqijianjianpiancha。duiyujuyouduogeshuchutongdaodeqijian

，ciguigedebiaoshufangshixiangtong，danbeichengweitongdaojianpianxie。chuanboyanchipianxietongchangbunengzaikongzhidianluzhongyuyibuchang。

 

圖6顯示了ADuM4121柵極驅動器的典型設置，其結合功率MOSFET使用，采用半橋配置，適合電源和電機驅動應用。在這種設置中，如果Q1和Q2同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)，有(you)可(ke)能(neng)因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)引(yin)腳(jiao)短(duan)路(lu)而(er)發(fa)生(sheng)直(zhi)通(tong)。這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)永(yong)久(jiu)損(sun)壞(huai)開(kai)關(guan)甚(shen)至(zhi)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)。為(wei)避(bi)免(mian)直(zhi)通(tong)


，必(bi)須(xu)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)，從(cong)而(er)大(da)大(da)降(jiang)低(di)兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。在(zai)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)內(nei)，兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)的(de)柵(zha)極(ji)信(xin)號(hao)為(wei)低(di)電(dian)平(ping)，因(yin)此(ci)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)，開(kai)關(guan)處(chu)於(yu)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)。如(ru)果(guo)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)偏(pian)斜(xie)較(jiao)低(di)，則(ze)所(suo)需(xu)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)較(jiao)短(duan)，控(kong)製(zhi)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)可(ke)預(yu)測(ce)。偏(pian)斜(xie)越(yue)低(di)且(qie)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)越(yue)短(duan)，係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)會(hui)更(geng)平(ping)穩(wen)、更高效。時序特性很重要，因為它們會影響功率開關的操作速度。理解這些參數可以使控製電路設計更加簡單和準確。

 

 

隔離是指係統中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑。這樣
，不同電路可以擁有不同的地電位。利用電感、電容或光學方法，仍可讓信號和/或電源在隔離電路之間通過。對於采用柵極驅動器的係統，隔離對功能的執行可能是必要的
，並且也可能是安全要求。圖6中，VBUS可能有幾百伏，在給定時間可能有數十安培的電流通過Q1或Q2。wanyicixitongchuxianguzhangshi，ruguosunhuaijinxianyudianziyuanjian
，zeanquangelikenengshibubiyaode
，danruguokongzhiceshejidaorendehuodong，namegaogonglvcehedidianyakongzhidianluzhijianxuyaodianliugeli。tanengfangfangaoyacederenheguzhang，yinweijinguanyouyuanjiansunhuaihuoshixiao，gelizharenghuizuzhidianlidaodayonghu。

 

為防止觸電危險，隔離是監管機構和安全認證機構的強製要求。

 

它ta還hai能neng保bao護hu低di壓ya電dian子zi器qi件jian免mian受shou高gao功gong率lv側ce故gu障zhang引yin起qi的de任ren何he損sun害hai的de影ying響xiang。有you多duo種zhong方fang法fa可ke以yi描miao述shu安an全quan隔ge離li，但dan在zai基ji本ben層ceng麵mian上shang，它ta們men都dou與yu隔ge離li柵zha的de擊ji穿chuan電dian壓ya有you關guan。此ci電dian壓ya額e定ding值zhi一yi般ban針zhen對dui驅qu動dong器qi的de使shi用yong壽shou命ming以yi及ji特te定ding期qi間jian和he情qing況kuang的de電dian壓ya瞬shun變bian而er給gei出chu。這zhe些xie電dian壓ya電dian平ping還hai與yu驅qu動dong器qiIC的物理尺寸以及隔離柵上引腳之間的最小距離有關。

 

除安全原因外，隔離對於係統正常運行也可能是必不可少的。圖6顯示了電機驅動電路中常用的半橋拓撲結構，給定時間隻有一個開關導通。在高功率側，低端晶體管Q2的源極接地。Q2的柵源電壓(VGSQ2)因此直接以地為基準，驅動電路的設計相對簡單。高端晶體管Q1的情況則不同，因為其源極是開關節點，取決於哪個開關導通，開關節點將被拉至總線電壓或地。要使Q1導通
，應施加一個超過其閾值電壓的正柵源電壓(VGSQ1)。因此
，當源極連接到VBUS，Q1處於導通狀態時，其柵極電壓將高於VBUS。如果驅動電路沒有用於接地參考的隔離，則將需要大於VBUS的電壓來驅動Q1。這zhe是shi一yi個ge繁fan瑣suo的de解jie決jue方fang案an，對dui於yu高gao效xiao係xi統tong來lai說shuo並bing不bu實shi用yong。因yin此ci，人ren們men需xu要yao經jing過guo電dian平ping轉zhuan換huan並bing以yi高gao端duan晶jing體ti管guan源yuan極ji為wei基ji準zhun的de控kong製zhi信xin號hao。這zhe被bei稱cheng為wei功gong能neng隔ge離li，可ke以yi利li用yong隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi（如ADuM4223）來實現。

 

 

zhajiqudongqiyongzaiyoudaliangzaoshengyuandegongyehuanjingzhong。zaoshenghuipohuaishuju

，shixitongbukekao，daozhixingnengxiajiang。yinci
，zhajiqudongqibixujuyoulianghaodekangzaoshengnengli，yiquebaoshujudewanzhengxing。kangraoduyuqudongqiyizhidianciganrao(EMI)或RF噪聲及共模瞬變的程度有關。

 

圖6. 采用ADuM4121隔離式柵極驅動器的半橋設置中的隔離柵
 

EMI是指任何破壞電子器件預期操作的電氣噪聲或磁幹擾。EMI（其會影響柵極驅動器）是高頻開關電路的結果，主要由大型工業電機的磁場造成。EMI可以輻射或傳導
，並且可能耦合到附近的其他電路中。因此，EMI或RF抗(kang)擾(rao)度(du)是(shi)衡(heng)量(liang)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)抑(yi)製(zhi)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)並(bing)保(bao)持(chi)穩(wen)健(jian)運(yun)行(xing)而(er)無(wu)差(cha)錯(cuo)的(de)能(neng)力(li)的(de)指(zhi)標(biao)。若(ruo)具(ju)有(you)高(gao)抗(kang)擾(rao)度(du)，驅(qu)動(dong)器(qi)便(bian)可(ke)在(zai)大(da)型(xing)電(dian)機(ji)附(fu)近(jin)使(shi)用(yong)，而(er)不(bu)會(hui)引(yin)起(qi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)故(gu)障(zhang)。如(ru)圖(tu)6所示，隔離柵預期可在不同電位的接地點提供高電壓隔離。

 

danshi，gaopinqiehuandaozhicijiduandianyazhuanhuandebianyanjiaoduan。youyugelibianjiezhijiandejishengdianrong
，zhexiekuaisushunbianercongyiceouhedaolingyice，zhekenengdaozhishujusunhuai。qibiaoxiankenengshizaizhajiqudongxinhaozhongyinrudoudong，huozhejiangxinhaowanquanfanzhuan
，daozhixiaolvdixia

，shenzhizaimouxieqingkuangxiafashengzhitong。yinci
，zhajiqudongqideyigejuedingxingzhibiaoshigongmoshunbiankangraodu(CMTI)
，qidingliangmiaoshugelishizhajiqudongqiyizhishuruheshuchujiandagongmoshunbiandenengli。ruguoxitongzhongdeyabailvhengao，zequdongqixuyaoyouhengaodekangraodu。yinci，dangzaigaopinhedazongxiandianyaxiagongzuoshi
，CMTI數值特別重要。

 

 

本ben文wen旨zhi在zai簡jian單dan介jie紹shao柵zha極ji驅qu動dong器qi，因yin此ci，到dao目mu前qian為wei止zhi討tao論lun的de參can數shu並bing未wei全quan麵mian詳xiang盡jin地di反fan映ying隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi特te性xing。驅qu動dong器qi還hai有you其qi他ta指zhi標biao
，如ru電dian源yuan電dian壓ya、容許溫度、引腳排列等，這些是每個電子器件的共同考慮因素。一些驅動器，如ADuM4135和ADuM4136
，yebaohanbaohugongnenghuoxianjindejiancehuokongzhijizhi。shichangshangdegelishizhajiqudongqizhongleizhongduo，xitongshejirenyuanbixulejiesuoyouzhexieguigehetexing
，yibianzaixiangguanyingyongzhongjiushiyongshidangdequdongqizuochumingzhidejueding。