栅极驱动器的5大选型指南

【导读】所有的分立式开关功率器件都需要驱动器，无论这些器件是分立式金属氧化物硅场效应晶体管 (MOSFET)、碳化硅 (SiC) MOSFET、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 还是模块。驱动器是系统处理器的低电压、低电流输出端与开关器件之间的接口元件或“桥梁”，前者在受控的良好环境中运行，而后者则在恶劣条件下工作，对电流、电压和定时有着严格的要求。

由于功率器件的特殊性，以及电路和布局中不可避免的寄生效应，为开关器件选择合适的驱动器对于设计人员来说具有一定的挑战性。这种选择需要仔细考虑开关类型和应用的参数。功率器件制造商通常会推荐甚至提供合适的驱动器，但某些与驱动器相关的因素必须根据应用的具体情况进行调整。

虽然在大多数情况下，我们可以遵循基本的逻辑程序，但有些设置，如栅极驱动电阻器的电阻值，是通过反复分析确定的，还必须通过实际测试和评估来验证。如果没有明确的指导，这些步骤可能让原已复杂的流程变得更繁琐，并减慢设计速度。

栅极驱动器的作用

简单来说，栅极驱动器是一种功率放大器，它接受来自控制器 IC（通常为处理器）的低电平、低功率输入，并在必要的电压下产生适当的高电流栅极驱动，以导通或关闭功率器件。在这个简单定义的背后，涉及到电压、电流、压摆率、寄生效应、瞬变和保护等一系列复杂问题。即便随着开关速度提高，寄生效应和瞬变问题变得更加棘手，驱动器也必须与系统需求相匹配，并能很好地驱动功率开关，而不出现过冲或瞬时振荡。

如何选择栅极驱动器

（1）电流驱动能力

开关的导通和关断实际上是输入输出电容器的充放电过程。更高的灌电流和拉电流能力意味着更快的导通和关断速度，最终带来更小的开关损耗。

（2）故障检测

栅极驱动器不仅用于驱动开关，还能保护开关甚至整个系统。例如，欠压锁定（UVLO）可确保栅极驱动器的电源处于良好状态，去饱和（DESAT）用于检测短路，有源米勒箝位可防止在快速开关系统中出现误导通。

（3）抗扰性

共模瞬态抗扰度（CMTI）是指栅极驱动器输入和输出电路之间共模电压上升或下降的最大容许速率，它决定了该产品是否可用于快速开关系统。大功率系统以非常快的变化率运行，例如大于100 V/ns时会产生非常大的电压瞬变。隔离栅极驱动器需要能够承受高于额定电平的CMTI，以防止低压电路侧产生噪声，并防止隔离势垒失效。

（4）传播延迟

传播延迟是指从输入10%到输出90%的时间延迟（供应商之间可能有所不同）。这种延迟会影响器件之间的开关时序，这在高频应用中至关重要。设置死区时间可以避免直通乃至进一步损坏，死区时间设置得越少，开关损耗就会越小。

（5）兼容性

在新项目中，如果没有重大设计变更，引脚对引脚的替换总是首选。选择规格和封装相似的栅极驱动器有利于快速设计。

当然，并非每一点都需要遵循。例如，与 IGBT 不同，碳化硅 MOSFET 的输出特性更像可变电阻，没有饱和区，这意味着普通的去饱和检测原理不起作用。作为解决方案之一，通常使用电流传感器来检测过流，或使用温度传感器来检测异常温度。

总之，栅极驱动器是一种非常重要的半导体器件，可以显著提高 MOSFET 和 IGBT 的性能和可靠性。通过使用栅极驱动器，可以确保控制器能够更好地控制这两种器件的操作，并扩展它们的使用寿命。同时，栅极驱动器也为工程师提供了一个简单、安全、可靠的方法来控制 MOSFET 和 IGBT，从而降低了系统的成本和复杂性。