栅极驱动器的原理

什么是栅极驱动器？

简单来说，栅极驱动器是一个用于放大来自微控制器或其他来源的低电压或低电流的缓冲电路。在某些情况下，例如驱动用于数字信号传输的逻辑电平晶体管时，使用微控制器输出不会损害应用的效率、尺寸或热性能。在高功率应用中，微控制器输出通常不适合用于驱动功率较大的晶体管。

但是为什么要使用微控制器来驱动功率晶体管呢？为了更好地回答这个问题，我们来考虑一下大型的应用。开关电源是几乎每一个现代电气系统的核心。任何插到壁式插座上的设备都可以利用开关电源来进行功率因数校正和生成直流电流轨。汽车系统使用开关电源来维持电池、马达和充电器等系统。电网基础设施要求高效率地转换直流太阳能电池板提供的开关电能，从而将电能传输到直流存储系统和交流电网。

由于应用中存在大量拓扑且复杂性日益升高，对于高功率晶体管阵列，现代开关电源通常使用微控制器或其他ASIC来协调其开关，以满足精确的开关计时要求。这可能会带来挑战，因为大多数微控制器输出并没有针对驱动功率晶体管进行优化。

高功率晶体管与模拟信号链或数字逻辑电路中的其他晶体管的特性几乎完全不同。功率晶体管的击穿电压的分布范围极大，从大约40伏到1,200伏甚至更高。由于需要实现较高的漏极电路和较低的导通损耗，漏源电阻需要低至几十毫欧姆甚至更小。与漏源电阻成反比的栅极电容通常超过10,000pF。栅极驱动电压和电流要求在很大程度上取决于晶体管结构和漏极电流额定值，其常见值在8至30伏和1至5安培之间。高噪声环境甚至可能需要双极输出驱动。

与频率为几十或几百兆赫的信号链或数字晶体管相比，传统高功率晶体管的频率上限只有几百千赫，随着新技术的出现，有可能会将该上限推高一个数量级。这种频率限制是由于增高的栅极电容和驱动电压要求造成的。电容器的能量等于1/2乘以电容再乘以电压的平方。栅极电容的充放电功耗等于电容器的能量乘以频率的两倍--一次充电，一次放电。具有15纳法栅极电容的功率晶体管在200千赫、12伏方波驱动条件下需要近半瓦的功耗。对于可传输3至5千瓦电力的转换器，提高开关频率所带来的好处，比如减小磁体的尺寸和重量，有时要比几瓦驱动损耗的成本更有价值。

在决定晶体管的驱动要求的元素中，还有一种更为棘手的损耗源。在栅极电容充放电过程中，开关会在全开和全关状态之间存在一个过渡期，此时开关上会出现电压，且会有电流流过开关。由于同时存在较高的电压和较高的电流，因此这类开关损耗会造成相当大的功耗，有时会达到几十瓦，以及进一步的效率降级。因此，通过更快地对栅极电容进行充放电来缩短过渡期的持续时间是有好处的。

如果输出电压甚至高到足以使晶体管导通，那么大多数微控制器提供的低电流信号在驱动高功率晶体管时都会慢得令人发指，效率极低。

现在我们来回答什么是栅极驱动器这个问题，栅极驱动器是一个用于放大来自微控制器或其他来源的控制信号，从而使其适应半导体开关的有效和高效运行的电路。

有许多栅极驱动器都可以在承受高偏置电压的情况下工作，例如高功率转换器中使用的那些。