隔离式栅极驱动器揭秘

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发表时间：2021-01-13

下文节选自《汽车电气化特刊》中技术白皮书《隔离式栅极驱动器揭秘》，立即扫码阅读下载全书。

摘要

IGBT/功率MOSFET是一种电压控制型器件，可用作电源电路、电机驱动器和其它系统中的开关元件。栅极是每个器件的电气隔离控制端。MOSFET的另外两端是源极和漏极，而对于IGBT，它们被称为集电极和发射极。为了操作MOSFET/IGBT，通常须将一个电压施加于栅极(相对于器件的源极/发射极而言)。使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。本文讨论栅极驱动器是什么，为何需要栅极驱动器，以及如何定义其基本参数，如时序、驱动强度和隔离度。

需要栅极驱动器

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成一个非线性电容。给栅极电容充电会使功率器件导通，并允许电流在其漏极和源极引脚之间流动，而放电则会使器件关断，漏极和源极引脚上就可以阻断大电压。当栅极电容充电且器件刚好可以导通时的最小电压就是阈值电压(VTH)。为将IGBT/功率MOSFET用作开关，应在栅极和源极/发射极引脚之间施加一个充分大于VTH 的电压。

考虑一个具有微控制器的数字逻辑系统，其I/O引脚之一上可以输出一个0 V至5 V的PWM信号。这种PWM将不足以使电源系统中使用的功率器件完全导通，因为其过驱电压一般超过标准CMOS/TTL逻辑电压。因此，逻辑/控制电路和高功率器件之间需要一个接口。这可以通过驱动一个逻辑电平n沟道MOSFET，其进而驱动一个功率MOSFET来实现，如图1a所示。

图1.用反相逻辑驱动功率MOSFET。

如图1a所示，当IO1发出一个低电平信号时，VGSQ1 < VTHQ1 ，因此MOSFET Q1保持关断。结果，一个正电压施加于功率MOSFET Q2的栅极。Q2的栅极电容(CGQ2)通过上拉电阻R1充电，栅极电压被拉至VDD的轨电压。如果VDD > VTHQ2，则Q2 导通，可以传导电流。当IO1输出高电平时，Q1 导通，CGQ2通过Q1放电。VDSQ1 ~ 0 V，使得VGSQ2 < VTHQ2，因此Q2关断。这种设置的一个问题是Q1导通状态下R1的功耗。为了解决此问题，pMOSFET Q3可以作为上拉器件，其以与Q1互补的方式工作，如图1b所示。PMOS具有较低导通电阻和非常高的关断电阻，驱动电路中的功耗大大降低。为在栅极转换期间控制边沿速率，Q1 的漏极和Q2的栅极之间外加一个小电阻。使用MOSFET的另一个优点是其易于在裸片上制作，而制作电阻则相对较难。这种驱动功率开关栅极的独特接口可以单片IC的形式创建，该IC接受逻辑电平电压并产生更高的功率输出。此栅极驱动器IC几乎总是会有其他内部电路来实现更多功能，但它主要用作功率放大器和电平转换器。

栅极驱动器的关键参数

驱动强度：

提供适当栅极电压的问题通过栅极驱动器来解决，栅极驱动器执行电平转换任务。不过，栅极电容无法瞬间改变其电压。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限切换间隔时间。在切换期间，器件可能处于高电流和高电压状态，这会产生功耗并转化为热量。因此，从一个状态到另一个状态的转换需要很快，以尽可能缩短切换时间。为了实现这一点，需要高瞬变电流来使栅极电容快速充电和放电。

图2.无栅极驱动器的MOSFET导通转换

能够在更长时间内提供/吸收更高栅极电流的驱动器，切换时间会更短，因而其驱动的晶体管内的开关功耗也更低。

图3.有栅极驱动器的MOSFET导通转换

微控制器I/O引脚的拉电流和灌电流额定值通常可达数十毫安，而栅极驱动器可以提供高得多的电流。图2中，当功率MOSFET由微控制器I/O引脚以最大额定拉电流驱动时，观察到切换时间间隔较长。如图3所示，采用ADuM4121隔离式栅极驱动器时，转换时间大大缩短;当驱动同一功率MOSFET时，该驱动器相比微控制器I/O引脚能够提供高得多的驱动电流。很多情况下，由于数字电路可能会透支电流，直接用微控制器驱动较大功率MOSFET/IGBT可能会使控制器过热，进而受损。栅极驱动器具有更高驱动能力，支持快速切换，上升和下降时间只有几纳秒。这可以减少开关功率损耗，提高系统效率。因此，驱动电流通常被认为是选择栅极驱动器的重要指标。

(未完)

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