隔离式栅极驱动器：什么、为什么以及如何

IGBT/功率MOSFET是一种电压控制器件，用作电源电路和电机驱动器等系统中的开关元件。栅极是每个设备的电气隔离控制端子。 MOSFET的其他端子是源极和漏极，对于IGBT，它们被称为集电极和发射极。为了工作MOSFET/IGBT，通常必须向栅极施加相对于器件源极/发射极的电压。专用驱动器用于向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。本文讨论这些栅极驱动器是什么，为什么需要它们，以及如何定义它们的基本参数，如时序、驱动强度和隔离度。

需要栅极驱动器

IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成非线性电容器。对栅极电容充电会使功率器件导通并允许电流在其漏极和源极端子之间流动，而放电时，它会关闭器件，然后可能会在漏极和源极端子上阻塞大电压。栅极电容充电且器件几乎可以导通时的最小电压是阈值电压（V千).对于将 IGBT/功率 MOSFET 用作开关，电压要大于 V千应应用于栅极和源极/发射极之间。

考虑一个带有微控制器的数字逻辑系统，该微控制器可以在其中一个I/O引脚上输出0 V至5 V的PWM信号。该PWM不足以完全打开电源系统中使用的功率器件，因为其过驱动电压通常超过标准CMOS/TTL逻辑电压。因此，在逻辑/控制电路和高功率器件之间需要一个接口。这可以通过驱动逻辑电平n沟道MOSFET来实现，而逻辑电平n沟道MOSFET又可以驱动功率MOSFET，如图1a所示。

图1.采用反相逻辑驱动的功率 MOSFET。

如图 1a 所示，当 IO1发出低信号，VGSQ1< VTHQ1因此，MOSFET Q1仍然关闭。因此，在功率MOSFET Q的栅极处施加正电压2.Q的栅极电容2（CGQ2） 通过上拉电阻 R 充电1并将栅极电压拉至V的轨电压DD.给定 VDD> VTHQ2/ 22打开并可以传导。当 IO1输出高电平，Q1打开和 CGQ2通过 Q 放电1.VDSQ1~ 0 V 使得 VGSQ2< VTHQ2因此，Q2关闭。此设置的一个问题是 R 中的功耗1在 Q 状态期间1.为了克服这个问题，pMOSFET Q3可用作上拉，以与Q互补的方式运行1，如图1b所示。 PMOS具有低导通电阻，并且在关断状态下具有非常高的电阻，因此大大降低了驱动电路中的功耗。为了控制栅极转换期间的边沿速率，在Q漏极之间外部增加了一个小电阻1和Q之门2.使用MOSFET的另一个优点是易于在芯片上制造它，而不是制造电阻器。这种用于驱动电源开关栅极的独特接口可以以单片IC的形式创建，该IC接受逻辑电平电压并产生更高的功率输出。该栅极驱动器IC几乎总是具有额外的内部电路以实现更大的功能，但它主要用作功率放大器和电平转换器。

栅极驱动器的关键参数

驱动强度：

提供适当栅极电压的问题通过使用执行电平转换器工作的栅极驱动器来解决。但是，栅极电容器不能瞬时改变其电压。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限开关间隔。在开关过程中，器件可能处于高电流和高电压状态，从而导致热量形式的功耗。因此，从一种状态到另一种状态的转换需要快速，以最大限度地减少切换时间。为此，需要高瞬态电流来快速对栅极电容进行充电和放电。

数字。2. MOSFET 导通过渡，无需栅极驱动器

能够在较长时间内供应/吸收更高栅极电流的驱动器产生较短的开关时间，从而降低其驱动的晶体管内的开关功率损耗。

图3.MOSFET 通过栅极驱动器导通过渡。

微控制器I/O引脚的拉电流和灌电流额定值通常高达数十毫安，而栅极驱动器可以提供更高的电流。在图2中，当功率MOSFET由微控制器I/O引脚在其最大额定源电流下驱动时，观察到较长的开关间隔。如图3所示，使用隔离式栅极驱动器ADuM4121可显著缩短转换时间，该驱动器提供比微控制器I/O引脚高得多的驱动电流，驱动相同功率的MOSFET。在许多情况下，直接使用微控制器驱动更大功率的MOSFET/IGBT可能会过热并损坏控制，因为数字电路中可能存在电流过敏。具有更高驱动能力的栅极驱动器可实现快速开关，上升和下降时间为几纳秒。这降低了开关功率损耗，使系统更加高效。因此，驱动电流通常被认为是选择栅极驱动器的重要指标。

与驱动电流额定值对应的是漏源导通电阻（RDS（ON）） 的栅极驱动器。虽然理想情况下 RDS（ON）MOSFET 在完全导通时的值应为零，由于其物理结构，它通常在几欧姆的范围内。这考虑了从漏极到源极的电流路径中的总串联电阻。

RDS（ON）是栅极驱动器最大驱动强度额定值的真正基础，因为它限制了驱动器可以提供的栅极电流。RDS（ON）的内部开关决定灌电流和拉电流，但外部串联电阻用于降低驱动电流，从而影响边沿速率。如图4所示，高端导通电阻和外部串联电阻R内线在充电路径中形成栅极电阻，低侧导通电阻与R内线在放电路径中形成栅极电阻。

图4.具有MOSFET输出级和功率器件作为电容器的栅极驱动器的RC电路模型。

RDS（ON）还直接影响驱动器内部的功耗。对于特定的驱动电流，较低的值为RDS（ON）允许更高的R内线要使用的。由于功耗分布在R之间内线和 RDS（ON），R 的值越高 内线意味着更多的功率耗散在驱动器外部。因此，为了提高系统效率并放宽驱动器内的任何热调节要求，较低的R值DS（ON）对于给定的芯片面积和IC尺寸，是优选的。

图5.ADuM4120栅极驱动器和时序波形

定时：

栅极驱动器时序参数对于评估其性能至关重要。包括ADuM4120在内的所有栅极驱动器的通用时序规格（如图5所示）是传播延迟（tD） 的驱动程序，定义为输入边沿传播到输出所花费的时间。如图5所示，传播延迟上升（t德华）可以定义为输入边沿上升到输入高阈值（VIH） 的输出上升到其最终值的 10% 以上。类似地，下降传播延迟（t敦豪） 可以表示为从输入边沿下降到输入低阈值 V 以下的时间伊利诺伊州到时间输出低于其高水平的90%。对于上升沿和下降沿，输出转换的传播延迟可能不同。

图5还显示了信号的上升和下降时间。这些边沿速率受器件可以提供的驱动电流的影响，但它们也取决于被驱动的负载，并且在传播延迟计算中没有考虑在内。另一个时序参数是脉冲宽度失真，即同一器件的上升和下降传播延迟之间的差异。因此，脉冲宽度失真 （PWD） = |t唰 –t敦豪|.

由于不同部分内的晶体管不匹配，两个部分的传播延迟永远不会完全相同。这会导致传播延迟偏差（t扭曲），定义为在相同工作条件下对同一输入做出反应时，两个不同器件的输出转换之间的时间差。如图5所示，传播延迟偏差定义为器件间偏差。对于具有多个输出通道的器件，此规格以相同的方式表示，但表示为通道间偏斜。传播延迟偏斜通常不能在控制电路中考虑。

图6显示了ADuM4121栅极驱动器的典型设置，采用半桥配置，采用功率MOSFET，适用于电源和电机驱动应用。在这样的设置中，如果两个Q1和 Q2同时打开，由于电源和接地端子短路，有可能击穿。这可能会永久损坏开关甚至驱动电路。为避免击穿，必须在系统中插入死区时间，以便大大降低两个开关同时打开的可能性。在死区时间间隔内，两个开关的栅极信号都很低，因此，开关理想情况下处于关断状态。如果传播延迟偏差较低，则所需的死区时间较低，并且控制变得更加可预测。具有更低的偏斜和更低的死区时间，可实现更平稳、更高效的系统运行。

定时特性很重要，因为它们会影响电源开关的运行速度。了解这些参数有助于实现更简单、更精确的控制电路设计。

隔离：

它是系统中各种功能电路之间的电气分离，使得它们之间没有直接的传导路径可用。这允许单个电路具有不同的接地电位。信号和/或功率仍然可以使用电感、电容或光学方法在隔离电路之间传递。对于具有栅极驱动器的系统，出于功能目的，隔离可能是必要的，也可能是一项安全要求。在图 6 中，我们可以有 V总线数百伏特，数十安培电流通过 Q1或 Q2在给定时间。如果该系统出现任何故障，如果损坏仅限于电子元件，则可能不需要安全隔离，但如果控制侧有人为参与，则需要在高功率侧和低压控制电路之间进行电气隔离。它提供高压侧任何故障保护，因为隔离栅阻止电力到达用户，尽管组件损坏或故障。

图6.半桥设置中的隔离栅，采用ADuM4121隔离式栅极驱动器

监管和安全认证机构强制要求隔离，以防止电击危险。它还可以保护低压电子设备免受高功率侧故障造成的任何损坏。描述安全隔离的方法多种多样，但从根本上说，它们都与隔离栅击穿的电压有关。该电压额定值通常在驱动器的整个生命周期内给出，以及特定持续时间和配置文件的电压瞬变。这些电压电平还对应于驱动器IC的物理尺寸以及隔离栅两端引脚之间的最小距离。

除了安全原因外，隔离对于系统的正确运行也是必不可少的。图6显示了电机驱动电路中常用的半桥拓扑，其中给定时间只有一个开关导通。在高功率侧，低侧晶体管Q2其源接地。Q的栅源电压2（五GSQ2）因此直接以地为参考，驱动电路的设计相对简单。高边晶体管Q不是这种情况。1，因为它的来源是开关节点，根据哪个开关接通，该节点被拉到总线电压或地。打开 Q 的步骤1，正栅极至源极电压 （VGSQ1），应应用超过其阈值电压。因此，栅极电压Q1将高于 V总线当它处于打开状态时，源连接到 V总线.如果驱动电路没有接地参考隔离，则电压大于V总线将需要驱动 Q1.这是一个繁琐的解决方案，对于高效的系统来说是不切实际的。因此，需要电平转换并参考高端晶体管源的控制信号。这称为功能隔离，可以使用隔离式栅极驱动器（如ADuM4223）来实现。

抗噪性：

栅极驱动器用于固有大量噪声源的工业环境。噪声会损坏数据并使系统不可靠，从而导致性能下降。因此，栅极驱动器需要具有良好的抗噪声能力，以确保数据完整性。抗噪性与驱动器抑制电磁干扰（EMI）或RF噪声以及共模瞬变的能力有关。

EMI是破坏电子设备预期操作的任何电噪声或磁干扰。影响栅极驱动器的EMI是高频开关电路的结果，主要是由于大型工业电机的磁场而产生的。EMI可以是辐射或传导的，并且可以耦合到附近的其他电路中。因此，对EMI或RF抗扰度的抗扰度是指栅极驱动器抑制电磁干扰并保持稳健运行而无错误的能力。具有高EMI抗扰度，允许驱动器在大型电机附近使用，而不会在数据传输中引入任何故障。

如图6所示，隔离栅有望在不同电位下提供跨地的高压隔离。但高频开关会导致副边的电压转换边沿较短。由于隔离边界之间的寄生电容，这些快速瞬变从一侧耦合到另一侧，这可能导致数据损坏。这可能是在栅极驱动信号中引入抖动或完全反转信号的形式，导致效率低下，在某些情况下甚至直通。因此，栅极驱动器的定义指标是共模瞬变抗扰度（CMTI），它定量描述了隔离式栅极驱动器抑制其输入和输出之间的大共模瞬变的能力。如果系统中的压摆率很高，则驱动器的抗扰度需要很高。因此，在高频和大总线电压下工作时，CMTI数字尤其重要。

结论

本文旨在介绍栅极驱动器，因此，到目前为止讨论的参数并未构成有关隔离式栅极驱动器规格的详尽列表。还有其他驱动器指标，如电源电压、允许温度、引脚排列等，与每个电子部件一样，这些都是常见的考虑因素。ADuM4135和ADuM4136等一些驱动器还集成了保护功能或高级检测或控制机制。市场上的隔离式栅极驱动器种类繁多，使得系统设计人员必须了解所有这些规格和特性，以便就相关应用中使用适当的驱动器做出明智的决定。

审核编辑：郭婷