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

過去幾年情況確實發生了變化，因為功率器件，尤其是基于氮化鎵和碳化硅工藝技術的功率器件，正在獲得大量關注和投資。在這里提供具體的美元金額是不切實際的，因為它很難衡量；有很多合理的方式來看待細節，也有很多方式可以解釋這種關注。盡管如此，毫無疑問，在電動汽車、綠色倡議和許多其他因素的推動下，電力設備是目前發生許多可見活動的地方。

但是與電源相關的電路設計并不僅僅依賴于它們的電源設備。柵極驅動器通常是除較小功率器件外的所有器件的獨立器件，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、導通/開啟/關斷壓擺率、寄生電感和電容等都受到尊重和遵循。

事實上，使柵極驅動器成為開關功率器件的親密和合適的伙伴是設計過程的重要組成部分。正確的選擇可以使功率器件滿足目標規格，而次優的失配可能會抵消其大部分潛力，甚至會損壞或毀壞它。因此，柵極驅動器有自己的一套應用筆記和設計指南；有些是特定于設備的，而另一些則更通用（參見參考資料）。

然而，在這種關系中還有另一個有點沉默的伙伴，它在幕后并且很容易被忽視，直到周期的后期：柵極驅動器自己的電源，幾乎總是一個 DC/DC 轉換器。雖然電源設備通過負載有自己的電源軌，但柵極驅動器需要自己的電源軌，該電源軌必須與驅動器/電源設備組合的細節相匹配（圖 1）。

圖 1：在這個完整電源系統鏈的風格化視圖中，通常有一個用于處理器及其支持的低壓軌，以及一個用于負載的軌，而柵極驅動器通常需要自己的電源，具體取決于驅動器和電源設備配對。

為什么要擔心柵極驅動器的電源？

當我看到Murata Power Systems的應用說明“柵極驅動應用說明：IGBT/MOSFET/SiC/GaN 柵極驅動 DC-DC 轉換器”時，我想起了這個顯而易見但很容易被忽視的現實。本說明著眼于驅動器的一些注意事項，以及它們如何反映到驅動器的 DC/DC 轉換器作為其電源。

第一點是，在許多電路拓撲中，例如廣泛使用的橋式布置，驅動器及其 DC/DC 轉換器需要與高側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。

但這僅僅是開始。事實證明，雙極 DC/DC 電源轉換器可能不需要對稱，但可以與具有比正電壓更低的負電壓軌的驅動器有效地工作。只需要降低的負輸出電壓就可以在設計或指定 DC/DC 轉換器的功率處理能力時提供更大的靈活性。例如，除了更常見的對稱雙極性值之外，村田 DC/DC 對還包括 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 對許多器件來說已經足夠了，但通常在 –5 V 和 –10 V 之間的負電壓可以實現由柵極電阻器控制的快速開關。開關和驅動器參考之間的任何發射極電感 L ［圖 2中的點 X ］ 在開關關閉時會導致相反的柵極-發射極電壓。雖然電感可能很小，但僅 5 nH 就會以 1，000 A/μs 的 di/dt 產生 5V，這并不罕見（5 nH 只是幾毫米的有線連接）。適當的負驅動可確保柵極-發射極關斷電壓實際上總是為零或更低。”

圖 2：由于不可避免的雜散電感 L，負 di/dt 在發射極上產生負電壓，與關斷時的關斷電壓相反。（來源：村田電力系統）

還需要考慮 DC/DC 轉換器的瞬態響應，因為驅動器提供的負載會在驅動功率器件開關時突然發生變化。Murata 的說明也明確指出：“在驅動電路電壓軌處于正確值之前，不應由 PWM 信號主動驅動 IGBT/MOSFET。然而，當柵極驅動 DC/DC 上電或斷電時，即使 PWM 信號處于非活動狀態，也可能會導致器件被驅動開啟的瞬態條件，從而導致擊穿和損壞。因此，DC/DC 輸出在上電和斷電時應該表現良好，具有單調的上升和下降。” 是的，我們知道這一點，但是否適當考慮了這一方面？該說明指出了為柵極驅動器選擇合適的 DC/DC 轉換器時的一些問題。

有時我會擔心，對工程師的多維要求不會導致最終設計合理，因為面對不可避免的權衡，有太多相互矛盾的期望。然而，盡管我擔心，但我看到許多非常好的設計以某種方式設法滿足，達到可接受甚至要求的水平，對它們提出的許多電氣、環境、監管、熱、效率、成本、生產和其他重疊的要求。

設備驅動器 DC/DC 轉換器的屬性是這些挑戰的又一組挑戰，具有許多可以應對的自由度。不幸的是，公眾并不欣賞這一點，并且可能認為這很容易。這就是為什么當政客們為實現某些值得稱贊的目標制定形式和進展速度時，我感到特別令人擔憂。像那么簡單就好了。

參考

德州儀器。“ MOSFET 和 IGBT 柵極驅動器電路的基礎知識”

紅外/英飛凌。“ HEXFET 功率 MOSFET 的柵極驅動特性和要求”，應用筆記 AN-937。

德州儀器。“ UCC2122x 隔離式柵極驅動器的共模瞬態抗擾度 （CMTI） ”

“功率 MOSFET 和 IGBT 的驅動電路”，應用筆記 AN524。