为什么要担心栅极驱动器的电源？

多年来，各种类型、大小和速度的处理器都是一般媒体关注的迷人主题以及主要的研发投资。与此同时，功率器件——主要是基于硅的 MOSFET 和 IGBT——显然被低估了，并且作为本应乏味的功率利基市场的一部分在背景中萎靡不振。

过去几年情况确实发生了变化，因为功率器件，尤其是基于氮化镓和碳化硅工艺技术的功率器件，正在获得大量关注和投资。在这里提供具体的美元金额是不切实际的，因为它很难衡量；有很多合理的方式来看待细节，也有很多方式可以解释这种关注。尽管如此，毫无疑问，在电动汽车、绿色倡议和许多其他因素的推动下，电力设备是目前发生许多可见活动的地方。

但是与电源相关的电路设计并不仅仅依赖于它们的电源设备。栅极驱动器通常是除较小功率器件外的所有器件的独立器件，在管理功率器件、确保其满足其性能潜力并确保与电压摆幅、电流、导通/开启/关断压摆率、寄生电感和电容等都受到尊重和遵循。

事实上，使栅极驱动器成为开关功率器件的亲密和合适的伙伴是设计过程的重要组成部分。正确的选择可以使功率器件满足目标规格，而次优的失配可能会抵消其大部分潜力，甚至会损坏或毁坏它。因此，栅极驱动器有自己的一套应用笔记和设计指南；有些是特定于设备的，而另一些则更通用（参见参考资料）。

然而，在这种关系中还有另一个有点沉默的伙伴，它在幕后并且很容易被忽视，直到周期的后期：栅极驱动器自己的电源，几乎总是一个 DC/DC 转换器。虽然电源设备通过负载有自己的电源轨，但栅极驱动器需要自己的电源轨，该电源轨必须与驱动器/电源设备组合的细节相匹配（图 1）。

图 1：在这个完整电源系统链的风格化视图中，通常有一个用于处理器及其支持的低压轨，以及一个用于负载的轨，而栅极驱动器通常需要自己的电源，具体取决于驱动器和电源设备配对。

为什么要担心栅极驱动器的电源？

当我看到Murata Power Systems的应用说明“栅极驱动应用说明：IGBT/MOSFET/SiC/GaN 栅极驱动 DC-DC 转换器”时，我想起了这个显而易见但很容易被忽视的现实。本说明着眼于驱动器的一些注意事项，以及它们如何反映到驱动器的 DC/DC 转换器作为其电源。

第一点是，在许多电路拓扑中，例如广泛使用的桥式布置，驱动器及其 DC/DC 转换器需要与高侧功率器件一起与地电隔离；在某些情况下，高端和低端器件都需要隔离。

但这仅仅是开始。事实证明，双极 DC/DC 电源转换器可能不需要对称，但可以与具有比正电压更低的负电压轨的驱动器有效地工作。只需要降低的负输出电压就可以在设计或指定 DC/DC 转换器的功率处理能力时提供更大的灵活性。例如，除了更常见的对称双极性值之外，村田 DC/DC 对还包括 20-V/–5-V 和 18-V/–2.5-V 单元。

正如 Murata 注释所指出的那样，“虽然栅极上的 0 V 对许多器件来说已经足够了，但通常在 –5 V 和 –10 V 之间的负电压可以实现由栅极电阻器控制的快速开关。开关和驱动器参考之间的任何发射极电感 L ［图 2中的点 X ］ 在开关关闭时会导致相反的栅极-发射极电压。虽然电感可能很小，但仅 5 nH 就会以 1，000 A/μs 的 di/dt 产生 5V，这并不罕见（5 nH 只是几毫米的有线连接）。适当的负驱动可确保栅极-发射极关断电压实际上总是为零或更低。”

图 2：由于不可避免的杂散电感 L，负 di/dt 在发射极上产生负电压，与关断时的关断电压相反。（来源：村田电力系统）

还需要考虑 DC/DC 转换器的瞬态响应，因为驱动器提供的负载会在驱动功率器件开关时突然发生变化。Murata 的说明也明确指出：“在驱动电路电压轨处于正确值之前，不应由 PWM 信号主动驱动 IGBT/MOSFET。然而，当栅极驱动 DC/DC 上电或断电时，即使 PWM 信号处于非活动状态，也可能会导致器件被驱动开启的瞬态条件，从而导致击穿和损坏。因此，DC/DC 输出在上电和断电时应该表现良好，具有单调的上升和下降。” 是的，我们知道这一点，但是否适当考虑了这一方面？该说明指出了为栅极驱动器选择合适的 DC/DC 转换器时的一些问题。

有时我会担心，对工程师的多维要求不会导致最终设计合理，因为面对不可避免的权衡，有太多相互矛盾的期望。然而，尽管我担心，但我看到许多非常好的设计以某种方式设法满足，达到可接受甚至要求的水平，对它们提出的许多电气、环境、监管、热、效率、成本、生产和其他重叠的要求。

设备驱动器 DC/DC 转换器的属性是这些挑战的又一组挑战，具有许多可以应对的自由度。不幸的是，公众并不欣赏这一点，并且可能认为这很容易。这就是为什么当政客们为实现某些值得称赞的目标制定形式和进展速度时，我感到特别令人担忧。像那么简单就好了。

参考

德州仪器。“ MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基础知识”

红外/英飞凌。“ HEXFET 功率 MOSFET 的栅极驱动特性和要求”，应用笔记 AN-937。

德州仪器。“ UCC2122x 隔离式栅极驱动器的共模瞬态抗扰度 （CMTI） ”

“功率 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路”，应用笔记 AN524。