如何選擇和開始使用功率器件驅(qū)動器

作者：Bill Schweber

投稿人：DigiKey 北美編輯

所有的分立式開關(guān)功率器件都需要驅(qū)動器，無論這些器件是分立式金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、碳化硅 (SiC) MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 還是模塊。驅(qū)動器是系統(tǒng)處理器的低電壓、低電流輸出端與開關(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、電壓和定時有著嚴(yán)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(yīng)，為開關(guān)器件選擇合適的驅(qū)動器對于設(shè)計人員來說具有一定的挑戰(zhàn)性。這種選擇需要仔細考慮開關(guān)類型（硅 (Si) 或碳化硅 (SiC)）和應(yīng)用的參數(shù)。功率器件制造商通常會推薦甚至提供合適的驅(qū)動器，但某些與驅(qū)動器相關(guān)的因素必須根據(jù)應(yīng)用的具體情況進行調(diào)整。

雖然在大多數(shù)情況下，我們可以遵循基本的邏輯程序，但有些設(shè)置，如柵極驅(qū)動電阻器的電阻值，是通過反復(fù)分析確定的，還必須通過實際測試和評估來驗證。如果沒有明確的指導(dǎo)，這些步驟可能讓原已復(fù)雜的流程變得更繁瑣，并減慢設(shè)計速度。

本文簡要討論了柵極驅(qū)動器的作用。然后，本文提供了驅(qū)動器選擇指南，以及確保與所選功率開關(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，以說明要點。

柵極驅(qū)動器的作用

簡單來說，柵極驅(qū)動器是一種功率放大器，它接受來自控制器 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(dāng)?shù)母唠娏鳀艠O驅(qū)動，以導(dǎo)通或關(guān)閉功率器件。在這個簡單定義的背后，涉及到電壓、電流、壓擺率、寄生效應(yīng)、瞬變和保護等一系列復(fù)雜問題。即便隨著開關(guān)速度提高，寄生效應(yīng)和瞬變問題變得更加棘手，驅(qū)動器也必須與系統(tǒng)需求相匹配，并能很好地驅(qū)動功率開關(guān)，而不出現(xiàn)過沖或瞬時振蕩。

驅(qū)動器可在不同配置中使用。最常見的包括單低壓側(cè)驅(qū)動器、單高壓側(cè)驅(qū)動器和雙高壓側(cè)/低壓側(cè)驅(qū)動器。

在第一種情況下，功率器件（開關(guān)）連接在負載與接地端之間，而負載則位于電源軌和開關(guān)之間（圖 1）。（請注意，這里的接地端稱為“公共端”更為恰當(dāng)，因為并不存在實際的接地端，而是定義 0 V 點的公共電路點）。

圖 1：在低壓側(cè)配置中，驅(qū)動器和開關(guān)位于負載和電路接地端/公共端之間。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

在互補的高壓側(cè)配置中，開關(guān)直接連接到電源軌，而負載則位于開關(guān)和接地端/公共端之間（圖 2）。

圖 2：高壓側(cè)配置翻轉(zhuǎn)了開關(guān)相對于負載和電源軌的位置。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

另一種廣泛使用的拓撲是高壓側(cè)/低壓側(cè)配對，用于驅(qū)動橋式配置中連接的兩個開關(guān)（圖 3）。

圖 3：在高壓側(cè)/低壓側(cè)的組合配對中，交替驅(qū)動兩個開關(guān)，負載位于兩個開關(guān)之間。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

隔離怎么辦？

高壓側(cè)/低壓側(cè)配置需要增加兩個電路功能，如圖 4 所示：

• “浮動”（非以地為基準(zhǔn)）高壓側(cè)電源，為與該浮動中間點電位關(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”驅(qū)動器電路
  圖 4：高壓側(cè)/低壓側(cè)配置還需要為高壓側(cè)提供浮動電源，并為控制信號提供電平位移器。（圖片來源：Talema Group）

上方的（高壓側(cè)）驅(qū)動器和開關(guān)器件是“浮動”的，沒有接地基準(zhǔn)，這就導(dǎo)致了很多柵極驅(qū)動器/功率開關(guān)配置提出另一個要求：驅(qū)動器功能和被驅(qū)動開關(guān)之間需要電氣（歐姆）隔離。

隔離意味著隔離柵兩側(cè)之間沒有讓電流通過的電氣通路，但信號信息仍必須通過隔離柵傳輸。這種隔離可使用光耦合器、變壓器、電容器來實現(xiàn)。

系統(tǒng)中的各個功能電路之間的電氣隔離可防止它們之間形成直接傳導(dǎo)路徑，使得各個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(jù)設(shè)計，大多數(shù)隔離器都能輕松滿足幾千伏以上的要求。

高壓側(cè)的柵極驅(qū)動器可能需要隔離，以確保正確運行，這取決于具體的拓撲結(jié)構(gòu)，而用于電源逆變器和轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動電路通常需要電氣隔離，旨在確保安全，這與其“接地”狀態(tài)無關(guān)。監(jiān)管和安全認證機構(gòu)強制要求進行隔離，以確保高壓電無法觸及用戶，從而防止電擊危險。隔離還能保護低壓電子設(shè)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隔離的柵極驅(qū)動電路。例如，在半橋、全橋、降壓、雙開關(guān)正激、有源箝位正激等電源轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)中，都有高壓側(cè)和低壓側(cè)開關(guān)，因為低壓側(cè)驅(qū)動器不能直接用于驅(qū)動上方的功率器件。

上方的功率器件需要隔離的柵極驅(qū)動器和“浮動”信號，因為它們與接地電位沒有連接；如果有連接，它們就會使互補驅(qū)動器和功率開關(guān)短路。由于這一要求，并得益于技術(shù)進步，柵極驅(qū)動器也集成了隔離功能，因而不再需要單獨的隔離器件。這反過來又簡化了高壓側(cè)布局，同時更容易滿足監(jiān)管要求。

微調(diào)驅(qū)動器與功率器件的關(guān)系

柵極驅(qū)動器 IC 需要支持 SiC MOSFET 的高開關(guān)速度，其壓擺率可達 50 kV/μs 甚至更高，開關(guān)速度超過 100 kHz。硅器件導(dǎo)通時電壓通常為 12 V，關(guān)閉時電壓為 0 V。

與硅器件不同，SiC MOSFET 通常需要 +15 至 +20 V 的電壓來導(dǎo)通，需要 -5 至 0 V 的電壓來關(guān)閉。因此，它們可能需要一個具有雙輸入的驅(qū)動器 IC，一個用于導(dǎo)通電壓，一個用于關(guān)閉電壓。只有在推薦的 18 至 20 V 柵源電壓 (V gs ) 驅(qū)動下，SiC MOSFET 才會表現(xiàn)出低導(dǎo)通電阻，這個值遠高于驅(qū)動 Si MOSFET 或 IGBT 所需的 10 至 15 V 的 Vgs 值。

Si 和 SiC 的另一個區(qū)別是，SiC 器件的“續(xù)流”本征體二極管的反向恢復(fù)電荷 (Q rr ) 非常低。它們需要高電流柵極驅(qū)動，才能快速提供所需的總柵極電荷 (Q g )。

在柵極驅(qū)動器和功率器件柵極之間建立適當(dāng)?shù)年P(guān)系至關(guān)重要。其中一個關(guān)鍵步驟是確定驅(qū)動器和功率器件之間外部柵極電阻器的最佳值，表示為 R G,ext （圖 5）。功率器件內(nèi)部還有一個內(nèi)部柵極電阻，表示為 R G,int ，與外部電阻器串聯(lián)，但用戶無法控制這個值，盡管它仍然非常重要。

圖 5：必須確定驅(qū)動器與功率器件之間外部柵極電阻器的適當(dāng)電阻值，以優(yōu)化這對器件的性能，這一點至關(guān)重要。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

確定此電阻值是一個四步過程，通常需要反復(fù)進行，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行評估。簡而言之，一般程序是：

步驟 1：根據(jù)規(guī)格書中的數(shù)值，確定峰值電流 (I g )，并選擇合適的柵極驅(qū)動器。

步驟 2：根據(jù)應(yīng)用的柵極電壓擺幅，計算外部柵極電阻器的電阻值 (R G,ext )。

步驟 3：計算柵極驅(qū)動器 IC 和外部柵極電阻器的預(yù)期功率耗散 (P D )。

步驟 4：在試驗臺上驗證計算結(jié)果，確定驅(qū)動器功率是否足以驅(qū)動晶體管，功率耗散是否在允許范圍內(nèi)：

1. 驗證在最壞情況下，是否會出現(xiàn)由 dv/dt 瞬變觸發(fā)的寄生性導(dǎo)通事件。
2. 測量柵極驅(qū)動器 IC 在穩(wěn)態(tài)運行期間的溫度。
3. 計算電阻器的峰值功率，并與其單脈沖額定值進行核對。

這些測量將確定相關(guān)假設(shè)和計算是否會導(dǎo)致 SiC MOSFET 的安全開關(guān)行為（無振蕩、定時正確）。如果不是，設(shè)計人員必須重復(fù)步驟 1 至 4，并調(diào)整外部柵極電阻器的電阻值。

與幾乎所有的工程設(shè)計決策一樣，在選擇元器件值時，需要權(quán)衡多個性能因素。例如，如果出現(xiàn)振蕩，改變柵極電阻器的電阻值可能會解決問題。增加其值會降低 dv/dt 的壓擺率，因為晶體管的速度會減慢。電阻值越低，SiC 器件的開關(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(qū)動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影響許多性能屬性，因此設(shè)計人員必須進行權(quán)衡。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

無需折衷

雖然折衷是系統(tǒng)設(shè)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(qū)動器 IC 具有高能效、抗噪性和穩(wěn)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)機和過流保護，并且具備 I^2^C 數(shù)字配置功能，使用非常簡單。

這些驅(qū)動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(cè)驅(qū)動器到隔離千伏/千瓦 (kV/kW) 器件。此外，還有雙通道和多通道驅(qū)動器，在某些情況下，它們也是不錯的選擇。

25 V 低壓側(cè)柵極驅(qū)動器

在這一系列器件中，[1ED44176N01FXUMA1]是一款采用 DS-O8 封裝的 25 V 低壓側(cè)柵極驅(qū)動器（圖 7）。這款低壓功率 MOSFET 和 IGBT 非反相柵極驅(qū)動器采用專有的防閂鎖 CMOS 技術(shù)，實現(xiàn)了堅固耐用的單片結(jié)構(gòu)。邏輯輸入可兼容標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動器則帶有電流緩沖級。它可在高達 50 kHz 的頻率下驅(qū)動 50 A/650 V 的設(shè)備，主要面向交流線路供電的家用電器和基礎(chǔ)設(shè)施，如熱泵。

圖 7：1ED44176N01FXUMA1 是一款采用 DS-08 封裝的微型柵極驅(qū)動器，適用于低電壓/低功率應(yīng)用，采用專有的防閂鎖 CMOS 技術(shù)。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

1ED44176N01FXUMA1 的主要技術(shù)規(guī)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)鍵動態(tài)規(guī)格包括：導(dǎo)通和關(guān)閉時間為 50 ns（典型值）/95 ns（最大值），導(dǎo)通上升時間為 50 ns（典型值）/80 ns（最大值），關(guān)閉下降時間為 25 ns（典型值）/35 ns（最大值）。

1ED44176N01F 的連接相對簡單，一個引腳用于過流保護 (OCP) 感測，一個引腳用于故障狀態(tài)輸出（圖 8）。還有一個專用引腳用于對故障清除時間編程。EN/FLT 引腳需要上拉才能正常工作，拉低則會禁用驅(qū)動器。VCC 引腳上的內(nèi)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(fù)到所需的工作范圍內(nèi)。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(qū)動器只有 8 個引腳，與處理器和功率器件的連接相對容易。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

雖然連接相對簡單，但該柵極驅(qū)動器和相關(guān)功率器件的用戶能夠受益于 [EVAL1ED44176N01FTOBO1]評估板（圖 9）。使用該評估板，設(shè)計人員可以選擇和評估電流檢測分流電阻器 (R CS )、用于 OCP 和短路保護的電阻器和電容器 (RC) 濾波器，以及故障清除時間電容器。

圖 9：使用 EVAL1ED44176N01FTOBO1 評估板，設(shè)計人員可以通過關(guān)聯(lián)開關(guān)器件，設(shè)置和測量關(guān)鍵柵極驅(qū)動器工作點。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

高壓 SiC MOSFET 柵極驅(qū)動器

[1EDI3031ASXUMA1]是一款隔離式單通道 12 A SiC MOSFET 柵極驅(qū)動器，額定隔離電壓為 5700 V RMS ，其電壓水平遠高于交流線路家用電器柵極驅(qū)動器及其功率器件（圖 10）。這款驅(qū)動器是專為 5 kW 以上的汽車電機驅(qū)動器設(shè)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，專為 5 kW 以上的汽車電機驅(qū)動而設(shè)計。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

該器件采用 Infineon 的無鐵芯變壓器 (CT) 技術(shù)來實現(xiàn)電氣隔離（圖 11）。

圖 11：專有的無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(gòu)造。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

這種技術(shù)有幾個特點。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(wěn)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(yán)格的傳播延遲匹配提供了容差和穩(wěn)健性，不會由于老化、電流和溫度而產(chǎn)生變化。

1EDI3031ASXUMA1 驅(qū)動器支持高達 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關(guān)。

該驅(qū)動器主要面向電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 的牽引逆變器，以及這兩種汽車的輔助逆變器。出于這個原因，它集成了多項安全功能，達到 ASIL B(D) 等級，并通過了 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(jiān)控、擊穿保護、主電源和副電源監(jiān)控，以及內(nèi)部監(jiān)控。8 kV 基本絕緣符合 VDE V 0884-11:2017-01 標(biāo)準(zhǔn)，并獲得 UL 1577 認證。

1EDI3031ASXUMA1 驅(qū)動器的功率水平符合汽車要求，因此它遠非一個功能強大但“啞”額設(shè)備。除了所有安全功能外，它還實現(xiàn)了一個狀態(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(tǒng)故障時進入“安全狀態(tài)”。

圖 12：1EDI3031ASXUMA1 柵極驅(qū)動器工作模式的狀態(tài)圖清晰地顯示了其復(fù)雜性和完整性自檢功能。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

采用 1EDI3031ASXUMA1 的設(shè)計人員可以通過 EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 柵極驅(qū)動器系列的 [1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1] 評估板來快速入門（圖 13）。

圖 13：使用 EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 柵極驅(qū)動器系列的 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板，設(shè)計人員可以評估這款高功率驅(qū)動器和相關(guān)功率器件。（圖片來源：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。（圖片來源：Infineon Technologies AG）

該評估板的詳細規(guī)格書包括原理圖、物料清單、各個連接的詳細連接方式和位置、配置細節(jié)、操作順序、LED 指示燈標(biāo)志等信息。

總結(jié)

柵極驅(qū)動器是低電平、低功率數(shù)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(jù)功率器件的特性和要求正確匹配驅(qū)動器，對于逆變器、電機驅(qū)動器、照明控制器等電力系統(tǒng)的開關(guān)電路的成功可靠運行至關(guān)重要。正如本文所述，依托多種先進專有技術(shù)并由評估板和工具包提供支持的驅(qū)動器系列可以幫助設(shè)計人員確保最佳匹配。