【導讀】所有的分立式開(kāi)關(guān)功率器件都需要驅動(dòng)器，無(wú)論這些器件是分立式金屬氧化物硅場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET)、碳化硅 (SiC) MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 還是模塊。驅動(dòng)器是系統處理器的低電壓、低電流輸出端與開(kāi)關(guān)器件之間的接口元件或“橋梁”，前者在受控的良好環(huán)境中運行，而后者則在惡劣條件下工作，對電流、電壓和定時(shí)有著(zhù)嚴格的要求。
所有的分立式開(kāi)關(guān)功率器件都需要驅動(dòng)器，無(wú)論這些器件是分立式金屬氧化物硅場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET)、碳化硅 (SiC) MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 還是模塊。驅動(dòng)器是系統處理器的低電壓、低電流輸出端與開(kāi)關(guān)器件之間的接口元件或“橋梁”，前者在受控的良好環(huán)境中運行，而后者則在惡劣條件下工作，對電流、電壓和定時(shí)有著(zhù)嚴格的要求。
由于功率器件的特殊性，以及電路和布局中不可避免的寄生效應，為開(kāi)關(guān)器件選擇合適的驅動(dòng)器對于設計人員來(lái)說(shuō)具有一定的挑戰性。這種選擇需要仔細考慮開(kāi)關(guān)類(lèi)型（硅 (Si) 或碳化硅 (SiC)）和應用的參數。功率器件制造商通常會(huì )推薦甚至提供合適的驅動(dòng)器，但某些與驅動(dòng)器相關(guān)的因素必須根據應用的具體情況進(jìn)行調整。
雖然在大多數情況下，我們可以遵循基本的邏輯程序，但有些設置，如柵極驅動(dòng)電阻器的電阻值，是通過(guò)反復分析確定的，還必須通過(guò)實(shí)際測試和評估來(lái)驗證。如果沒(méi)有明確的指導，這些步驟可能讓原已復雜的流程變得更繁瑣，并減慢設計速度。
本文簡(jiǎn)要討論了柵極驅動(dòng)器的作用。然后，本文提供了驅動(dòng)器選擇指南，以及確保與所選功率開(kāi)關(guān)器件兼容所需的步驟。本文介紹了 Infineon Technologies AG 的低功率和高功率典范器件，以及相關(guān)的評估板和套件，以說(shuō)明要點(diǎn)。
柵極驅動(dòng)器的作用
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，柵極驅動(dòng)器是一種功率放大器，它接受來(lái)自控制器 IC（通常為處理器）的低電平、低功率輸入，并在必要的電壓下產(chǎn)生適當的高電流柵極驅動(dòng)，以導通或關(guān)閉功率器件。在這個(gè)簡(jiǎn)單定義的背后，涉及到電壓、電流、壓擺率、寄生效應、瞬變和保護等一系列復雜問(wèn)題。即便隨著(zhù)開(kāi)關(guān)速度提高，寄生效應和瞬變問(wèn)題變得更加棘手，驅動(dòng)器也必須與系統需求相匹配，并能很好地驅動(dòng)功率開(kāi)關(guān)，而不出現過(guò)沖或瞬時(shí)振蕩。
驅動(dòng)器可在不同配置中使用。最常見(jiàn)的包括單低壓側驅動(dòng)器、單高壓側驅動(dòng)器和雙高壓側/低壓側驅動(dòng)器。
在第一種情況下，功率器件（開(kāi)關(guān)）連接在負載與接地端之間，而負載則位于電源軌和開(kāi)關(guān)之間（圖 1）。（請注意，這里的接地端稱(chēng)為“公共端”更為恰當，因為并不存在實(shí)際的接地端，而是定義 0 V 點(diǎn)的公共電路點(diǎn)）。
圖 1：在低壓側配置中，驅動(dòng)器和開(kāi)關(guān)位于負載和電路接地端/公共端之間。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
在互補的高壓側配置中，開(kāi)關(guān)直接連接到電源軌，而負載則位于開(kāi)關(guān)和接地端/公共端之間（圖 2）。
圖 2：高壓側配置翻轉了開(kāi)關(guān)相對于負載和電源軌的位置。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
另一種廣泛使用的拓撲是高壓側/低壓側配對，用于驅動(dòng)橋式配置中連接的兩個(gè)開(kāi)關(guān)（圖 3）。
圖 3：在高壓側/低壓側的組合配對中，交替驅動(dòng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)，負載位于兩個(gè)開(kāi)關(guān)之間。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
隔離怎么辦？
高壓側/低壓側配置需要增加兩個(gè)電路功能，如圖 4 所示：
· “浮動(dòng)”（非以地為基準）高壓側電源，為與該浮動(dòng)中間點(diǎn)電位關(guān)聯(lián)的任何電路供電
· 電平位移器，將控制信號傳遞給“浮動(dòng)”驅動(dòng)器電路
圖 4：高壓側/低壓側配置還需要為高壓側提供浮動(dòng)電源，并為控制信號提供電平位移器。（圖片來(lái)源：Talema Group）
上方的（高壓側）驅動(dòng)器和開(kāi)關(guān)器件是“浮動(dòng)”的，沒(méi)有接地基準，這就導致了很多柵極驅動(dòng)器/功率開(kāi)關(guān)配置提出另一個(gè)要求：驅動(dòng)器功能和被驅動(dòng)開(kāi)關(guān)之間需要電氣（歐姆）隔離。
隔離意味著(zhù)隔離柵兩側之間沒(méi)有讓電流通過(guò)的電氣通路，但信號信息仍必須通過(guò)隔離柵傳輸。這種隔離可使用光耦合器、變壓器、電容器來(lái)實(shí)現。
系統中的各個(gè)功能電路之間的電氣隔離可防止它們之間形成直接傳導路徑，使得各個(gè)電路擁有不同的接地電位。隔離柵必須能夠耐受全軌電壓（加上安全裕量），電壓范圍從幾十伏到幾千伏不等。根據設計，大多數隔離器都能輕松滿(mǎn)足幾千伏以上的要求。
高壓側的柵極驅動(dòng)器可能需要隔離，以確保正確運行，這取決于具體的拓撲結構，而用于電源逆變器和轉換器的柵極驅動(dòng)電路通常需要電氣隔離，旨在確保安全，這與其“接地”狀態(tài)無(wú)關(guān)。監管和安全認證機構強制要求進(jìn)行隔離，以確保高壓電無(wú)法觸及用戶(hù)，從而防止電擊危險。隔離還能保護低壓電子設備，避免因高壓電路故障和控制端人為錯誤而造成損壞。
許多功率器件配置都需要一個(gè)隔離的柵極驅動(dòng)電路。例如，在半橋、全橋、降壓、雙開(kāi)關(guān)正激、有源箝位正激等電源轉換器拓撲結構中，都有高壓側和低壓側開(kāi)關(guān)，因為低壓側驅動(dòng)器不能直接用于驅動(dòng)上方的功率器件。
上方的功率器件需要隔離的柵極驅動(dòng)器和“浮動(dòng)”信號，因為它們與接地電位沒(méi)有連接；如果有連接，它們就會(huì )使互補驅動(dòng)器和功率開(kāi)關(guān)短路。由于這一要求，并得益于技術(shù)進(jìn)步，柵極驅動(dòng)器也集成了隔離功能，因而不再需要單獨的隔離器件。這反過(guò)來(lái)又簡(jiǎn)化了高壓側布局，同時(shí)更容易滿(mǎn)足監管要求。
微調驅動(dòng)器與功率器件的關(guān)系
柵極驅動(dòng)器 IC 需要支持 SiC MOSFET 的高開(kāi)關(guān)速度，其壓擺率可達 50 kV/μs 甚至更高，開(kāi)關(guān)速度超過(guò) 100 kHz。硅器件導通時(shí)電壓通常為 12 V，關(guān)閉時(shí)電壓為 0 V。
與硅器件不同，SiC MOSFET 通常需要 +15 至 +20 V 的電壓來(lái)導通，需要 -5 至 0 V 的電壓來(lái)關(guān)閉。因此，它們可能需要一個(gè)具有雙輸入的驅動(dòng)器 IC，一個(gè)用于導通電壓，一個(gè)用于關(guān)閉電壓。只有在推薦的 18 至 20 V 柵源電壓 (Vgs) 驅動(dòng)下，SiC MOSFET 才會(huì )表現出低導通電阻，這個(gè)值遠高于驅動(dòng) Si MOSFET 或 IGBT 所需的 10 至 15 V 的 Vgs 值。
Si 和 SiC 的另一個(gè)區別是，SiC 器件的“續流”本征體二極管的反向恢復電荷 (Qrr) 非常低。它們需要高電流柵極驅動(dòng)，才能快速提供所需的總柵極電荷 (Qg)。
在柵極驅動(dòng)器和功率器件柵極之間建立適當的關(guān)系至關(guān)重要。其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是確定驅動(dòng)器和功率器件之間外部柵極電阻器的最佳值，表示為 RG,ext（圖 5）。功率器件內部還有一個(gè)內部柵極電阻，表示為 RG,int，與外部電阻器串聯(lián)，但用戶(hù)無(wú)法控制這個(gè)值，盡管它仍然非常重要。
圖 5：必須確定驅動(dòng)器與功率器件之間外部柵極電阻器的適當電阻值，以?xún)?yōu)化這對器件的性能，這一點(diǎn)至關(guān)重要。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
確定此電阻值是一個(gè)四步過(guò)程，通常需要反復進(jìn)行，因為在分析和建模之后，必須“在試驗臺上”對這對器件某些方面的性能進(jìn)行評估。簡(jiǎn)而言之，一般程序是：
步驟 1：根據規格書(shū)中的數值，確定峰值電流 (Ig)，并選擇合適的柵極驅動(dòng)器。
步驟 2：根據應用的柵極電壓擺幅，計算外部柵極電阻器的電阻值 (RG,ext)。
步驟 3：計算柵極驅動(dòng)器 IC 和外部柵極電阻器的預期功率耗散 (PD)。
步驟 4：在試驗臺上驗證計算結果，確定驅動(dòng)器功率是否足以驅動(dòng)晶體管，功率耗散是否在允許范圍內：
a 驗證在最壞情況下，是否會(huì )出現由 dv/dt 瞬變觸發(fā)的寄生性導通事件。
b 測量柵極驅動(dòng)器 IC 在穩態(tài)運行期間的溫度。
c 計算電阻器的峰值功率，并與其單脈沖額定值進(jìn)行核對。
這些測量將確定相關(guān)假設和計算是否會(huì )導致 SiC MOSFET 的安全開(kāi)關(guān)行為（無(wú)振蕩、定時(shí)正確）。如果不是，設計人員必須重復步驟 1 至 4，并調整外部柵極電阻器的電阻值。
與幾乎所有的工程設計決策一樣，在選擇元器件值時(shí)，需要權衡多個(gè)性能因素。例如，如果出現振蕩，改變柵極電阻器的電阻值可能會(huì )解決問(wèn)題。增加其值會(huì )降低 dv/dt 的壓擺率，因為晶體管的速度會(huì )減慢。電阻值越低，SiC 器件的開(kāi)關(guān)速度越快，dv/dt 瞬變值越高。
圖 6 顯示了增大或減小外部柵極電阻器的電阻值對關(guān)鍵柵極驅動(dòng)器性能因素的更廣泛影響。
圖 6：增大或減小外部柵極電阻器的電阻值會(huì )影響許多性能屬性，因此設計人員必須進(jìn)行權衡。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
無(wú)需折衷
雖然折衷是系統設計的一部分，但合適的元器件可以大幅減少折衷。例如，Infineon 的 EiceDRIVER 柵極驅動(dòng)器 IC 具有高能效、抗噪性和穩健性。此外，它們還具備多種特性，例如快速短路保護、去飽和 (DESAT) 故障檢測和保護、有源米勒鉗位、壓擺率控制、擊穿保護，以及故障、關(guān)機和過(guò)流保護，并且具備 I2C 數字配置功能，使用非常簡(jiǎn)單。
這些驅動(dòng)器非常適合硅和寬帶隙功率器件。范圍從低功率、低電壓、非隔離低壓側驅動(dòng)器到隔離千伏/千瓦 (kV/kW) 器件。此外，還有雙通道和多通道驅動(dòng)器，在某些情況下，它們也是不錯的選擇。
25 V 低壓側柵極驅動(dòng)器
在這一系列器件中，1ED44176N01FXUMA1 是一款采用 DS-O8 封裝的 25 V 低壓側柵極驅動(dòng)器（圖 7）。這款低壓功率 MOSFET 和 IGBT 非反相柵極驅動(dòng)器采用專(zhuān)有的防閂鎖 CMOS 技術(shù)，實(shí)現了堅固耐用的單片結構。邏輯輸入可兼容標準的 3.3 V、5 V 和 15 V CMOS 或 LSTTL 輸出，包括施密特觸發(fā)輸入，可最大限度地減少假信號跳閘，而輸出驅動(dòng)器則帶有電流緩沖級。它可在高達 50 kHz 的頻率下驅動(dòng) 50 A/650 V 的設備，主要面向交流線(xiàn)路供電的家用電器和基礎設施，如熱泵。
圖 7：1ED44176N01FXUMA1 是一款采用 DS-08 封裝的微型柵極驅動(dòng)器，適用于低電壓/低功率應用，采用專(zhuān)有的防閂鎖 CMOS 技術(shù)。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
1ED44176N01FXUMA1 的主要技術(shù)規格包括：在 0 V 電壓下的典型短路脈沖輸出拉電流（<10 μsec 脈沖）為 0.8 A，在 15 V 電壓下的短路脈沖輸出灌電流為 1.75 A。關(guān)鍵動(dòng)態(tài)規格包括：導通和關(guān)閉時(shí)間為 50 ns（典型值）/95 ns（最大值），導通上升時(shí)間為 50 ns（典型值）/80 ns（最大值），關(guān)閉下降時(shí)間為 25 ns（典型值）/35 ns（最大值）。
1ED44176N01F 的連接相對簡(jiǎn)單，一個(gè)引腳用于過(guò)流保護 (OCP) 感測，一個(gè)引腳用于故障狀態(tài)輸出（圖 8）。還有一個(gè)專(zhuān)用引腳用于對故障清除時(shí)間編程。EN/FLT 引腳需要上拉才能正常工作，拉低則會(huì )禁用驅動(dòng)器。VCC 引腳上的內部電路提供欠壓鎖定保護，將輸出保持在低電平，直至 VCC 電源電壓恢復到所需的工作范圍內。獨立的邏輯接地和電源接地增強了抗噪能力。
圖 8：1ED44176N01F 柵極驅動(dòng)器只有 8 個(gè)引腳，與處理器和功率器件的連接相對容易。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
雖然連接相對簡(jiǎn)單，但該柵極驅動(dòng)器和相關(guān)功率器件的用戶(hù)能夠受益于 EVAL1ED44176N01FTOBO1 評估板（圖 9）。使用該評估板，設計人員可以選擇和評估電流檢測分流電阻器 (RCS)、用于 OCP 和短路保護的電阻器和電容器 (RC) 濾波器，以及故障清除時(shí)間電容器。
圖 9：使用 EVAL1ED44176N01FTOBO1 評估板，設計人員可以通過(guò)關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)器件，設置和測量關(guān)鍵柵極驅動(dòng)器工作點(diǎn)。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
高壓 SiC MOSFET 柵極驅動(dòng)器
1EDI3031ASXUMA1 是一款隔離式單通道 12 A SiC MOSFET 柵極驅動(dòng)器，額定隔離電壓為 5700 VRMS，其電壓水平遠高于交流線(xiàn)路家用電器柵極驅動(dòng)器及其功率器件（圖 10）。這款驅動(dòng)器是專(zhuān)為 5 kW 以上的汽車(chē)電機驅動(dòng)器設計的高壓器件，支持 400、600 和 1200 V 的 SiC MOSFET。
圖 10：EDI3031AS 是一款隔離式單通道 12 A SiC MOSFET 柵極，專(zhuān)為 5 kW 以上的汽車(chē)電機驅動(dòng)而設計。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
該器件采用 Infineon 的無(wú)鐵芯變壓器 (CT) 技術(shù)來(lái)實(shí)現電氣隔離（圖 11）。
圖 11：專(zhuān)有的無(wú)鐵芯變壓器用于提供電氣隔離，左圖顯示了這種變壓器，右圖顯示了它的構造。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
這種技術(shù)有幾個(gè)特點(diǎn)。它允許 ±2300 V 甚至更大的電壓擺幅，具有抗負瞬變和正瞬變的能力，而且功率損耗低。此外，它的信號傳輸極為穩定，不受共模噪聲影響，支持高達 300 V/ns 的共模瞬變抗擾度 (CMTI)。此外，其嚴格的傳播延遲匹配提供了容差和穩健性，不會(huì )由于老化、電流和溫度而產(chǎn)生變化。
1EDI3031ASXUMA1 驅動(dòng)器支持高達 1200 V 的 SiC MOSFET，提供軌至軌輸出，峰值電流為 12 A，典型傳播延遲為 60 ns。它在 1000 V 電壓下的 CMTI 高達 150 V/ns，其 10 A 集成有源米勒鉗位支持單極開(kāi)關(guān)。
該驅動(dòng)器主要面向電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 的牽引逆變器，以及這兩種汽車(chē)的輔助逆變器。出于這個(gè)原因，它集成了多項安全功能，達到 ASIL B(D) 等級，并通過(guò)了 AEC-Q100 產(chǎn)品認證。這些功能包括冗余 DESAT 和 OCP、柵極和輸出級監控、擊穿保護、主電源和副電源監控，以及內部監控。8 kV 基本絕緣符合 VDE V 0884-11:2017-01 標準，并獲得 UL 1577 認證。
1EDI3031ASXUMA1 驅動(dòng)器的功率水平符合汽車(chē)要求，因此它遠非一個(gè)功能強大但“啞”額設備。除了所有安全功能外，它還實(shí)現了一個(gè)狀態(tài)圖，以確保功能正常（圖 12）。該器件的“侵入式”診斷功能能夠在發(fā)生系統故障時(shí)進(jìn)入“安全狀態(tài)”。
圖 12：1EDI3031ASXUMA1 柵極驅動(dòng)器工作模式的狀態(tài)圖清晰地顯示了其復雜性和完整性自檢功能。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
采用 1EDI3031ASXUMA1 的設計人員可以通過(guò) EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 柵極驅動(dòng)器系列的 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板來(lái)快速入門(mén)（圖 13）。
圖 13：使用 EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 柵極驅動(dòng)器系列的 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板，設計人員可以評估這款高功率驅動(dòng)器和相關(guān)功率器件。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
這款多功能評估平臺采用半橋配置，如圖 14 所示。其可以安裝 HybridPACK DSC IGBT 模塊或分立式 PG-TO247-3 功率器件。
圖 14：1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板采用隔離式半橋配置，可與模塊或分立式器件配合使用。（圖片來(lái)源：Infineon Technologies AG）
該評估板的詳細規格書(shū)包括原理圖、物料清單、各個(gè)連接的詳細連接方式和位置、配置細節、操作順序、LED 指示燈標志等信息。
總結
柵極驅動(dòng)器是低電平、低功率數字處理器輸出與 Si 或 SiC MOSFET 等功率器件柵極的高電平、高功率、高電流要求之間的關(guān)鍵接口。根據功率器件的特性和要求正確匹配驅動(dòng)器，對于逆變器、電機驅動(dòng)器、照明控制器等電力系統的開(kāi)關(guān)電路的成功可靠運行至關(guān)重要。正如本文所述，依托多種先進(jìn)專(zhuān)有技術(shù)并由評估板和工具包提供支持的驅動(dòng)器系列可以幫助設計人員確保最佳匹配。
(作者：Bill Schweber)
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