碳化硅和氮化鎵開關器件是所有電源電路中主要使用的元件。盡管它們在運行速度、高電壓、處理電流和低功耗等固有特性方面取得了優異的成績，但設計人員將所有注意力都集中在此類設備上，而常常忘記將自己的精力投入到相關的驅動器上。

什么是柵極驅動器？

一個好的電源電路不僅由 SiC 和 GaN MOSFET 等靜態器件組成。還有柵極驅動器，它是一個位于電子開關之前的獨立元件，可確保以最佳方式驅動它們的正確能量。事實上，將方波或矩形波直接發送到元件的柵極端子是不夠的。另一方面，驅動信號必須適當定時以發送正確的電位，以確保振蕩適合各種組件，盡可能減少寄生元件并消除功率損耗。因此，設計人員必須從最終負載的角度來執行與電路相關的項目，同時分析和創建能夠以最佳方式驅動功率元件的優秀柵極驅動器。

非最佳驅動器不僅決定了顯著的功率損耗，而且不完美的同步通常會導致電路的異常操作，并可能損壞 MOSFET。它們是壓控器件，柵極是它們的控制端，與器件電隔離。必須通過專門的驅動器向該端子施加電壓才能使MOSFET工作。

出于所有意圖和目的，MOSFET 的柵極端子是一個非線性電容器。在柵極電容器上施加電荷會使器件進入“開啟”狀態，從而允許電流在漏極和源極端子之間流動。相反，該電容器的放電使其處于“關閉”狀態。為了使 MOSFET 工作，必須在柵極和源極之間施加高于閾值電壓 (VTH) 的電壓，這是電容器充電的最小電壓，MOSFET 進入導通狀態。通常，數字系統（微控制器或 MCU）不足以激活設備，因此在控制邏輯和電源開關之間總是需要一個接口，即驅動程序。

柵極驅動器執行的主要功能之一是電平轉換器。但是，柵極電容不能瞬間充電；它需要一段時間才能充滿電。在這段時間內，盡管時間很短，但該設備以高電流和電壓工作，以熱量的形式消耗高功率。不幸的是，這種能量沒有被使用并且構成功率損失。因此，從一種狀態到另一種狀態的轉換必須非常快，以最大限度地縮短開關時間，并且為了縮短此時間，有必要促進高電流瞬態以快速為柵極電容器充電。圖 1 涉及用作電子開關的 SiC MOSFET 的響應，并顯示了瞬態期間各個節點上最重要的信號，特別是：

頂部的“V（脈沖）”信號代表為系統供電的 PWM 波。它是一個理想的矩形信號，頻率為 100 kHz。這是一個完美的信號。

“V（柵極）”信號代表柵極端子上的實際信號。正如你所看到的，它的趨勢是不規則的，因為柵極電容不是線性的，它的電壓會在幾分鐘后達到最大水平，這是電容器充電到最大容量所需的時間。該間隔由時間常數 RC 決定，在這種情況下約為 150 ns。

“I（負載）”信號代表流過負載和漏極端子的電流。最初，當 MOSFET 打開時它為低電平，然后在 MOSFET 關閉時達到最大電平。這個序列無限重復。請注意，切換不是立即和瞬時的，而是遵循柵極電壓的切換。

“V（漏極）”信號顯示了V GS電壓的趨勢，顯然，它與電流反相，始終跟隨柵極電容器的充電速度。

最后一張圖顯示了 MOSFET 消耗的功率 ( V DS × I D )，并且與驅動信號的上升沿和下降沿相對應，它呈現出高有害峰值。這就是功率損耗，這是柵極驅動器必須盡可能減少的一個因素。

圖 1：SiC MOSFET 瞬態期間各個節點的信號

為了最大限度地減少開關階段的功耗，必須盡快對柵極電容器進行充電和放電。市場提供了特殊的電路來最小化這個過渡期。如果驅動器可以提供更高的柵極電流，則功率損耗會降低，因為功率瞬態的峰值會更短。一般來說，柵極驅動器執行以下任務：

轉換電壓電平以驅動柵極達到電路的預期

最大限度地減少系統的切換時間

提供大電流以快速對柵極電容器進行充電和放電

許多設計人員犯了直接通過 MCU 上的邏輯門驅動MOSFET的重大錯誤。一方面，它可以提供正確的電壓來驅動設備，但 MCU 的門不允許高電流通過，將其自身限制為幾十毫安的電源。這一事實導致柵極電容器的充電非常緩慢，這在少數情況下是不可接受的。在許多情況下，直接從 MCU 驅動功率 MOSFET 可能會因電流消耗過大而過熱并損壞控制器。通過使用合適的柵極驅動器，可以最大限度地減少上升和下降時間，從而實現更高效的系統和非常低的功率損耗。

圖 2 顯示了柵極電容器相對于硅 MOSFET 的使用的充電和放電瞬態。該圖顯示了 IRL540 器件的柵極電容器充電瞬態，這是一種 MOSFET，特別適用于 MCU 的邏輯柵極電壓。盡管該模型與 TTL 電壓兼容，但必須始終通過使用適當的驅動器以最佳方式研究和執行柵極的驅動。在該示例中，柵極的控制通過合適的驅動器（藍色圖形）和通用 MCU 的數字輸出端口（紅色圖形）以兩種方式進行。

這兩張圖顯示了電容器的典型充電和放電曲線，以及案例的相對非線性。在驅動信號的前沿，即對于 MOSFET 的激活，完整的瞬態時間如下：

通過驅動器對柵極電容充電：805 ns（藍色跡線）

通過 GPIO 對柵極容量充電：11,000 ns（紅色跡線）

如您所見，不正確的驅動會使 MOSFET 的激活速度非常慢，大約慢 14 倍——這是一個不可接受的時間，會導致若干開關損耗。在驅動信號的下降沿，即關斷 MOSFET，完成瞬態的時間如下：

通過驅動器釋放柵極電容：500 ns（藍色跡線）

通過 GPIO 進行柵極容量放電：5,000 ns（紅色跡線）

因此，同樣對于關斷，不正確的柵極驅動會使 MOSFET 的去激活速度非常慢，大約慢 10 倍——這也是一個不可接受的時間。

圖 2：由 MCU 端口（紅色跡線）和驅動器（藍色跡線）驅動的 IRL540 MOSFET

Analog Devices Inc. 的 LTC7062（參見圖 3）以高達 100 V 的電源電壓驅動兩個 N 溝道 MOSFET。驅動器可以使用不同的接地參考運行，具有出色的抗噪性。兩個驅動器對稱且相互獨立，允許互補或非互補切換。其強大的 0.8-Ω 下拉和 1.5-Ω 上拉允許使用大的柵極容量。

圖 3：LTC7062 柵極驅動器的應用示例（來源：Analog Devices Inc.）

結論

SiC 器件的柵極驅動器比傳統器件復雜得多，因為它們還具有監控和保護功能。顯然，在選擇柵極驅動器時還需要考慮許多其他因素。例如，建議檢查驅動器絕緣、時序參數和抗噪性，僅舉幾例。最近，許多公司也在采用數字化方法來開發新的可配置驅動程序。通過這種方式，設計人員可以對工作模式進行編程，以控制電壓電平和相關工作時間。實際上，這些是可編程 MCU，能夠控制任何電氣行為，而無需對電路進行物理修改。柵極驅動器是真正的技術瑰寶，設計人員應該為此投入所有必要的時間和金錢。

審核編輯：湯梓紅