用于電力電子器件的柵極驅(qū)動器

柵極驅(qū)動器是一種功率放大器，它接受來自控制器IC的低功耗輸入，并為功率器件產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母唠娏鳀艠O驅(qū)動。隨著對電力電子器件的要求不斷提高，柵極驅(qū)動器電路的設(shè)計和性能變得越來越重要。

功率半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)的核心。這些系統(tǒng)利用許多門控半導(dǎo)體器件，如普通晶體管、FET、BJT、MOSFET、IGBT 等作為開關(guān)模式電源 (SMPS)、通用電源 (UPS) 和電機(jī)驅(qū)動器中的開關(guān)元件。電力電子的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展通常跟隨功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展。

電力電子行業(yè)的功率電平要求和開關(guān)頻率越來越高。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 是大多數(shù)應(yīng)用中用于中高功率開關(guān)電源的兩種最受歡迎和最高效的半導(dǎo)體器件。

MOSFET 或 IGBT 的柵極是每個器件的電隔離控制端子。這些器件的其他端子是源極和漏極或發(fā)射極和集電極。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。為了驅(qū)動這些開關(guān)器件導(dǎo)通，柵極端子必須相對于其源極/發(fā)射極設(shè)為正極。

功率器件的開關(guān)行為受三個端子之間的寄生電容的影響，即柵極到源極(CGS)、柵極至漏極(CGD)和漏源到源極(CDS)，通常是非線性的，是偏置電壓的函數(shù)。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，它會關(guān)閉器件，并在漏極和源極端子上阻塞大電壓。

功率器件的柵極電壓不會增加，除非其柵極輸入電容充電，并且功率器件在其柵極電壓達(dá)到柵極閾值電壓(V千).五世千功率器件定義為在其源極和漏極區(qū)域之間創(chuàng)建導(dǎo)通路徑所需的最小柵極偏置。對于將功率器件作為開關(guān)操作，電壓足以大于V千應(yīng)應(yīng)用于柵極和源極/發(fā)射極端子之間。

用于電力電子器件的柵極驅(qū)動器

在高功率應(yīng)用中，電源開關(guān)的柵極永遠(yuǎn)不能由邏輯IC(PWM控制器)的輸出驅(qū)動。由于這些邏輯輸出具有低電流能力，對柵極電容充電需要過多的時間，很可能比開關(guān)周期的持續(xù)時間長。因此，必須使用專用驅(qū)動器來施加電壓并向功率器件的柵極提供驅(qū)動電流。這可以是一個驅(qū)動電路，也可以作為專用IC、分立晶體管或變壓器實現(xiàn)。它也可以集成在PWM控制器IC中。

柵極驅(qū)動器是一種功率放大器，它接受來自控制器IC的低功耗輸入，并為功率器件產(chǎn)生適當(dāng)?shù)母唠娏鳀艠O驅(qū)動。當(dāng)PWM控制器無法提供驅(qū)動相關(guān)功率器件柵極電容所需的輸出電流時，使用它。

柵極驅(qū)動器電路是電力電子系統(tǒng)的組成部分。柵極驅(qū)動器是大功率電子器件和控制電路之間的重要接口，用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體器件。DC-DC轉(zhuǎn)換器或SMPS的輸出主要取決于柵極驅(qū)動器電路的行為，這意味著如果柵極驅(qū)動器電路不能正確驅(qū)動功率器件的柵極，DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出將不符合設(shè)計要求。因此，柵極驅(qū)動電路的設(shè)計在電力電子轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中至關(guān)重要。

柵極驅(qū)動器的類型

低邊驅(qū)動器 — 用于驅(qū)動以地為參考的開關(guān)(低邊開關(guān))。

高邊低邊驅(qū)動器 — 用于驅(qū)動橋式布置中連接的兩個開關(guān)(浮動和接地參考開關(guān))。

柵極驅(qū)動器隔離

電源逆變器和轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動電路通常需要電氣隔離，以實現(xiàn)功能和安全目的。監(jiān)管和安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)強(qiáng)制要求隔離，以防止電擊危險。它還可以保護(hù)低壓電子設(shè)備免受高功率側(cè)電路故障和控制側(cè)人為錯誤造成的任何損壞。系統(tǒng)中各種功能電路之間的電氣隔離可防止它們之間的直接傳導(dǎo)路徑，并允許單個電路具有不同的接地電位。信號和功率仍然可以使用電感、電容或光學(xué)方法在隔離電路之間傳遞。

功率器件的許多應(yīng)用(例如，需要高功率密度和高效率的轉(zhuǎn)換器)都需要隔離式柵極驅(qū)動電路。例如，在半橋、全橋、降壓、雙開關(guān)正激和有源鉗位正激等功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校嬖诟叩烷_關(guān)，因為低邊驅(qū)動器不能直接用于驅(qū)動高功率器件。高功率器件需要一個隔離式柵極驅(qū)動器，因為上部器件的源極和發(fā)射極不位于地電位(浮動)。

在帶有驅(qū)動電路的簡單橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，開關(guān)1的源端可以浮動在從地到直流總線電位的任何位置。因此，驅(qū)動高邊開關(guān)需要兩樣?xùn)|西：

1. 浮動電源 — 為與此浮動中點電位相關(guān)的任何電路供電。

2. 電平轉(zhuǎn)換器 — 將 PWM 控制信號傳送到浮動驅(qū)動器電路。

基本上，有兩種常用技術(shù)可用于實現(xiàn)隔離式柵極驅(qū)動器：磁性(使用柵極驅(qū)動變壓器)和光學(xué)(使用光耦合器)。

審核編輯：湯梓紅