隨著設備變得越來越小，電源也必須跟隨著變小。因此，當今設計人員的首要目標是：將單位體積功率（W/mm3）最zui大da化hua。實shi現xian這zhe一yi目mu標biao的de一yi種zhong方fang法fa是shi使shi用yong更geng高gao性xing能neng的de電dian源yuan開kai關guan。目mu前qian在zai這zhe一yi領ling域yu已yi經jing有you很hen多duo重zhong要yao的de創chuang新xin
，並bing且qie令ling人ren興xing奮fen的de全quan新xin產chan品pin現xian在zai也ye已yi麵mian市shi，這zhe些xie產chan品pin擁yong有you高gao速su開kai關guan切qie換huan能neng力li
，可ke以yi提ti供gong更geng高gao的de係xi統tong效xiao率lv和he更geng小xiao的de器qi件jian尺chi寸cun。

 

這些新型電源開關包括新一代更快的、基於矽的MOSFET，以及像镓氮化物（GaN）或碳化矽（SiC）基質這些更新的技術。

 

與矽技術的垂直結構相比，新技術的橫向結構使其成為低電荷設備
，因此能夠在幾納秒（ns）內轉換幾百伏。這非常適合快速開關係統。

 

其(qi)它(ta)優(you)點(dian)包(bao)括(kuo)較(jiao)高(gao)的(de)電(dian)場(chang)強(qiang)度(du)和(he)電(dian)子(zi)遷(qian)移(yi)率(lv)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)對(dui)於(yu)給(gei)定(ding)的(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)和(he)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)，開(kai)關(guan)尺(chi)寸(cun)可(ke)以(yi)小(xiao)很(hen)多(duo)。另(ling)外(wai)
，它(ta)們(men)也(ye)具(ju)有(you)更(geng)寬(kuan)的(de)帶(dai)隙(xi)（Band Gap），這意味著它們可以在更高的頻率和更高的電流下安全地操作。

 

然而
，對於電源來說，快速切換並非沒有代價——它產生高噪聲瞬變，這可能會導致調製丟失
，或由於閂鎖效應（Latch-up）而(er)永(yong)久(jiu)損(sun)壞(huai)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，用(yong)於(yu)驅(qu)動(dong)這(zhe)些(xie)新(xin)型(xing)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)的(de)器(qi)件(jian)的(de)噪(zao)聲(sheng)抗(kang)擾(rao)度(du)必(bi)須(xu)得(de)到(dao)顯(xian)著(zhu)的(de)改(gai)善(shan)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)這(zhe)些(xie)新(xin)技(ji)術(shu)以(yi)及(ji)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)如(ru)何(he)能(neng)夠(gou)武(wu)裝(zhuang)自(zi)己(ji)以(yi)應(ying)對(dui)未(wei)來(lai)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。

 

 

讓我們來仔細看看廣泛存在的開關模式電源（SMPS），其中功率開關是最關鍵的部分。SMPS從交流到直流（AC-DC）或者從直流到直流（DC-DC）轉換其輸入功率
，並且在大多數情況下，它們也改變電壓電平以適應應用的需要。

 

圖1.典型的AC-DC SMPS開關電源框圖

 

該圖顯示了一個典型的AC-DC SMPS開kai關guan電dian源yuan框kuang圖tu。首shou先xian，將jiang交jiao流liu輸shu入ru電dian壓ya整zheng流liu成cheng直zhi流liu電dian壓ya。然ran後hou，在zai電dian源yuan開kai關guan級ji使shi用yong柵zha極ji驅qu動dong器qi調tiao製zhi該gai直zhi流liu電dian壓ya以yi控kong製zhi調tiao製zhi過guo程cheng。控kong製zhi器qi生sheng成cheng控kong製zhi信xin號hao
，柵zha極ji驅qu動dong器qi用yong其qi來lai調tiao製zhi電dian源yuan開kai關guan。該gai開kai關guan電dian壓ya通tong過guo一yi個ge帶dai有you預yu期qi匝za數shu比bi（Turns Ratio）的隔離變壓器來耦合
，從而在輸出時獲得正確的電壓電平。然後該電壓由同步FET整流回直流。同步FET也需要柵極驅動器以控製其開關。電流和/或電壓傳感器監測輸出，並且提供反饋到控製器以微調調製方案，從而獲得最佳性能。

 

 

正如前麵提到的，設計人員麵臨的挑戰是實現單位體積中的最高功率。要做到這一點，最好的辦法是提高係統效率。通過開關和/huochuandaoersunhaodegonglvhuichanshengreliang，tamenhaibixutongguosanrepiananquandishifangdiao，danyeyouyusanrepiandechicunerzengjialezongtiji。yinci
，chuangjianyizhonggenggaoxiaodeshejiyouliangdahaochu——增加有用輸出功率和減小總體積。

 

為了實現這一目標
，同時保持安全性，可用的最佳手段之一就是提高開關速率和頻率。這樣做具有以下優點：

 

• 更快的開關時間減小了電源開關損耗和散熱片的必要尺寸；

 

• 更高的調製頻率減小了輸出電容和電感的尺寸和成本；

 

• 更高的調製頻率減小了磁性材料（鐵氧體等）的不利影響；

 

• 更高的調製頻率改善了瞬態響應，防止電壓過衝/下衝（Voltage Over/Under-shoot）。

 

在這些優點備受青睞的同時，也有一項風險牽涉其中。如下圖所示
，更快的開關會導致更高的開關瞬變。在當前采用GaN電源開關設計的最先進的係統中，開關時間通常約為5ns，或者比傳統係統快約10至20倍。例如，一根典型的600V高壓線將導致一個120 kV/µs的瞬變（600V/5ns=120V/ns或者120kV/µs）。

 

圖2.電源轉換器中的開關瞬變

 

 

這種高噪聲瞬變會導致柵極驅動器失去信號完整性，或者“毛刺”，從而導致係統調製失敗；或者更糟的是
，生成一個偽信號
，其可能觸發兩個功率MOSFET同時接通，從而引發危險的電氣短路情況。高瞬變也可能造成柵極驅動器進入一種永久的閂鎖狀態
，這也會引發危險情況。

 

控(kong)製(zhi)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)設(she)計(ji)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)這(zhe)些(xie)噪(zao)聲(sheng)瞬(shun)變(bian)
，同(tong)時(shi)不(bu)會(hui)造(zao)成(cheng)毛(mao)刺(ci)或(huo)閂(shuan)鎖(suo)。驅(qu)動(dong)器(qi)承(cheng)受(shou)這(zhe)些(xie)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)瞬(shun)變(bian)的(de)能(neng)力(li)被(bei)定(ding)義(yi)為(wei)共(gong)模(mo)瞬(shun)變(bian)抗(kang)擾(rao)度(du)（CMTI）
，它由大多數廠商通常列在其產品數據手冊中的一項規格來定義，並以kV/µs為單位來表示。在上麵的示例中，柵極驅動器的CMTI規格應該已被清楚地確定為至少120kV/µs。

 

 

在隔離電源轉換器係統中，柵極驅動器需要被隔離以保持從首級側到次級側的隔離完整性。柵極驅動器通常為功率FET的柵極提供高達4A的開關電流。對於給定的FET柵極電容
，電流驅動能力越強
，開關速率就越快。下圖顯示了一個隔離柵極驅動器的簡單原理圖
，其連接至一個電壓達400V的功率FET的柵極。

 

圖3.隔離柵極驅動器示例

 

當今市場上可提供許多隔離柵極驅動器解決方案。

 

• 結隔離驅動器（Junction-Isolated Driver）

 

結隔離驅動器有一個浮動的高壓側驅動器去適應高電壓線路。對於這樣的設備而言，最高額定電壓約為600V。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)些(xie)產(chan)品(pin)經(jing)濟(ji)實(shi)惠(hui)，但(dan)具(ju)有(you)較(jiao)小(xiao)的(de)瞬(shun)變(bian)抑(yi)製(zhi)力(li)，很(hen)容(rong)易(yi)閂(shuan)鎖(suo)
，從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)永(yong)久(jiu)損(sun)壞(huai)或(huo)安(an)全(quan)危(wei)害(hai)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，用(yong)於(yu)支(zhi)持(chi)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)的(de)CMTI規格是在10kV/µs範圍之內

，而用於支持閂鎖抗擾的CMTI規格是在50 kV/µs範圍之內。

 

• 光耦合驅動器

 

光耦合柵極驅動器都被真正地隔離（相對於浮動的高壓側驅動器），而且它們已經存在了相當長的一段時間。典型光耦合驅動器的CMTI規格在10-20 kV/µs之間，而最新產品則擁有大為改善的性能

，其CMTI值達到50 kV/µs（最小值）。

 

• 電容耦合和變壓器耦合驅動器

 

除了結驅動器或光耦合驅動器之外，諸如電容耦合或變壓器耦合解決方案等技術，也使性能提升了一大截。

 

請牢記我們的最終目標——實現可能的最快開關速率同時確保安全性——電(dian)容(rong)耦(ou)合(he)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)耦(ou)合(he)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)最(zui)大(da)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)

，他(ta)們(men)能(neng)夠(gou)承(cheng)受(shou)極(ji)高(gao)的(de)噪(zao)聲(sheng)瞬(shun)變(bian)，而(er)又(you)不(bu)會(hui)丟(diu)失(shi)數(shu)據(ju)並(bing)不(bu)會(hui)被(bei)閂(shuan)鎖(suo)。一(yi)些(xie)最(zui)新(xin)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)耦(ou)合(he)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)CMTI規範為50 kV/µs（最小值），而這仍然不能滿足我們所考慮的最高效率係統。

 

最新的電容耦合解決方案也有相應的CMTI規範，支持信號完整性的CMTI為200 kV/µs（最小值），支持閂鎖抗擾的CMTI為400 kV/µs（最大值）。這是業界領先的性能
，且最適合當今的新型高頻係統設計。

 

使用電容耦合隔離驅動器還有一些其它的優勢。它們非常快速（低延遲），並且信道之間和器件之間的一致性優於其它解決方案。與一些流行的光耦柵極驅動器相比
，其傳輸時延（延遲）性能要好10倍之多，同時器件之間的一致性也要好10倍甚至更多。這種一致性為設計人員提供了另一項關鍵優勢——係統的整體調製方案可以進行微調以實現最高效率和安全性，而無需去適應規格變動。

 

這些驅動器還允許較低電壓操作（相比5V的2.5V），以及更寬的工作溫度範圍（-40℃至125℃
，而光耦合驅動器僅為-40℃至105℃）。此類驅動器還提供其它先進的特性，例如輸入噪聲濾波器、異步關斷能力，以及在同一個封裝中的諸如半橋或雙通道獨立驅動器等多種配置。

 

chanpindeanquanxinghechangqikekaoxingyeshizhexieyingyongzhongdeguanzhuzhongdian，bingqiekaolvzhexieshuxingyeshifeichangzhongyaode。lingwai，xinxingqudongqizaigaodianyatiaojianxiadeedinggongzuoshoumingwei60年，比其它任何可比的解決方案都更長。

 

下表總結了相互競爭的驅動器之間的關鍵特性對比。

 

表1.常用隔離柵極驅動器技術的詳細對比

 

 

通過使用市場上可以提供的最快功率開關技術，電源設計人員希望能將其設計中的單位體積功率（W/mm3）實現最大化。最新的基於GaN和SiC的開關是當前市場可提供的最快速技術
，但是要求柵極驅動器具有非常高的噪聲抗擾度（CMTI）。