隔離式柵極驅(qū)動器圖文分析-KIA MOS管

IGBT/功率MOSFET是一種電壓控制器件，用作電源電路和電機(jī)驅(qū)動器等系統(tǒng)中的開關(guān)元件。柵極是每個(gè)設(shè)備的電氣隔離控制端子。 MOSFET的其他端子是源極和漏極，對于IGBT，它們被稱為集電極和發(fā)射極。

為了工作MOSFET/IGBT，通常必須向柵極施加相對于器件源極/發(fā)射極的電壓。專用驅(qū)動器用于向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。

為什么需要柵極驅(qū)動器

IGBT/功率MOSFET的結(jié)構(gòu)使得柵極形成非線性電容器。對柵極電容充電會使功率器件導(dǎo)通并允許電流在其漏極和源極端子之間流動，而放電時(shí)，它會關(guān)閉器件，然后可能會在漏極和源極端子上阻塞大電壓。

柵極電容充電且器件幾乎可以導(dǎo)通時(shí)的最小電壓是閾值電壓（V千).對于將 IGBT/功率 MOSFET 用作開關(guān)，電壓要大于 V千應(yīng)應(yīng)用于柵極和源極/發(fā)射極之間。

考慮一個(gè)帶有微控制器的數(shù)字邏輯系統(tǒng)，該微控制器可以在其中一個(gè)I/O引腳上輸出0 V至5 V的PWM信號。該P(yáng)WM不足以完全打開電源系統(tǒng)中使用的功率器件，因?yàn)槠溥^驅(qū)動電壓通常超過標(biāo)準(zhǔn)CMOS/TTL邏輯電壓。

因此，在邏輯/控制電路和高功率器件之間需要一個(gè)接口。這可以通過驅(qū)動邏輯電平n溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)，而邏輯電平n溝道MOSFET又可以驅(qū)動功率MOSFET，如圖1a所示。

圖1.采用反相邏輯驅(qū)動的功率 MOSFET。

如圖 1a 所示，當(dāng) IO1發(fā)出低信號，VGSQ1< VTHQ1因此，MOSFET Q1仍然關(guān)閉。因此，在功率MOSFET Q的柵極處施加正電壓2.Q的柵極電容2（CGQ2） 通過上拉電阻 R 充電1并將柵極電壓拉至V的軌電壓DD.給定 VDD> VTHQ2/ 22打開并可以傳導(dǎo)。

當(dāng) IO1輸出高電平，Q1打開和 CGQ2通過 Q 放電1.VDSQ1~ 0 V 使得 VGSQ2< VTHQ2因此，Q2關(guān)閉。此設(shè)置的一個(gè)問題是 R 中的功耗1在 Q 狀態(tài)期間1.為了克服這個(gè)問題，pMOSFET Q3可用作上拉，以與Q互補(bǔ)的方式運(yùn)行1，如圖1b所示。 

PMOS具有低導(dǎo)通電阻，并且在關(guān)斷狀態(tài)下具有非常高的電阻，因此大大降低了驅(qū)動電路中的功耗。為了控制柵極轉(zhuǎn)換期間的邊沿速率，在Q漏極之間外部增加了一個(gè)小電阻1和Q之門2.使用MOSFET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于在芯片上制造它，而不是制造電阻器。

這種用于驅(qū)動電源開關(guān)柵極的獨(dú)特接口可以以單片IC的形式創(chuàng)建，該IC接受邏輯電平電壓并產(chǎn)生更高的功率輸出。該柵極驅(qū)動器IC幾乎總是具有額外的內(nèi)部電路以實(shí)現(xiàn)更大的功能，但它主要用作功率放大器和電平轉(zhuǎn)換器。

柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)

驅(qū)動強(qiáng)度：

提供適當(dāng)柵極電壓的問題通過使用執(zhí)行電平轉(zhuǎn)換器工作的柵極驅(qū)動器來解決。但是，柵極電容器不能瞬時(shí)改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限開關(guān)間隔。

在開關(guān)過程中，器件可能處于高電流和高電壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致熱量形式的功耗。因此，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要快速，以最大限度地減少切換時(shí)間。為此，需要高瞬態(tài)電流來快速對柵極電容進(jìn)行充電和放電。

圖2.MOSFET 導(dǎo)通過渡，無需柵極驅(qū)動器

能夠在較長時(shí)間內(nèi)供應(yīng)/吸收更高柵極電流的驅(qū)動器產(chǎn)生較短的開關(guān)時(shí)間，從而降低其驅(qū)動的晶體管內(nèi)的開關(guān)功率損耗。

圖3.MOSFET 通過柵極驅(qū)動器導(dǎo)通過渡。

微控制器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通常高達(dá)數(shù)十毫安，而柵極驅(qū)動器可以提供更高的電流。在圖2中，當(dāng)功率MOSFET由微控制器I/O引腳在其最大額定源電流下驅(qū)動時(shí)，觀察到較長的開關(guān)間隔。

如圖3所示，使用隔離式柵極驅(qū)動器ADuM4121可顯著縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間，該驅(qū)動器提供比微控制器I/O引腳高得多的驅(qū)動電流，驅(qū)動相同功率的MOSFET。

在許多情況下，直接使用微控制器驅(qū)動更大功率的MOSFET/IGBT可能會過熱并損壞控制，因?yàn)閿?shù)字電路中可能存在電流過敏。具有更高驅(qū)動能力的柵極驅(qū)動器可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，上升和下降時(shí)間為幾納秒。這降低了開關(guān)功率損耗，使系統(tǒng)更加高效。因此，驅(qū)動電流通常被認(rèn)為是選擇柵極驅(qū)動器的重要指標(biāo)。

與驅(qū)動電流額定值對應(yīng)的是漏源導(dǎo)通電阻（RDS（ON）） 的柵極驅(qū)動器。雖然理想情況下 RDS（ON）MOSFET 在完全導(dǎo)通時(shí)的值應(yīng)為零，由于其物理結(jié)構(gòu)，它通常在幾歐姆的范圍內(nèi)。這考慮了從漏極到源極的電流路徑中的總串聯(lián)電阻。

RDS（ON）是柵極驅(qū)動器最大驅(qū)動強(qiáng)度額定值的真正基礎(chǔ)，因?yàn)樗拗屏蓑?qū)動器可以提供的柵極電流。RDS（ON）的內(nèi)部開關(guān)決定灌電流和拉電流，但外部串聯(lián)電阻用于降低驅(qū)動電流，從而影響邊沿速率。

如圖4所示，高端導(dǎo)通電阻和外部串聯(lián)電阻R內(nèi)線在充電路徑中形成柵極電阻，低側(cè)導(dǎo)通電阻與R內(nèi)線在放電路徑中形成柵極電阻。

圖4.具有MOSFET輸出級和功率器件作為電容器的柵極驅(qū)動器的RC電路模型。

RDS（ON）還直接影響驅(qū)動器內(nèi)部的功耗。對于特定的驅(qū)動電流，較低的值為RDS（ON）允許更高的R內(nèi)線要使用的。由于功耗分布在R之間內(nèi)線和 RDS（ON），R 的值越高 內(nèi)線意味著更多的功率耗散在驅(qū)動器外部。因此，為了提高系統(tǒng)效率并放寬驅(qū)動器內(nèi)的任何熱調(diào)節(jié)要求，較低的R值DS（ON）對于給定的芯片面積和IC尺寸，是優(yōu)選的。

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