如何選擇柵極驅動(dòng)器IC

2021-04-28

如何選擇柵極驅動(dòng)器IC

如今，無(wú)論晶體管集成到CPU中還是作為分立組件提供，晶體管都有各種形狀和尺寸。任何晶體管都需要一些電流才能在ON和OFF狀態(tài)之間切換，從而使電流流過(guò)器件。更大的晶體管，無(wú)論在物理上還是在電流輸出方面，都需要更多的功率來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。該電源可以由柵極驅動(dòng)器IC提供，后者專(zhuān)門(mén)用于在控制器和功率晶體管之間提供緩沖器。

并非所有應用都需要柵極驅動(dòng)器IC。高頻應用可以在收發(fā)器或其他RF組件內部包括優(yōu)化的柵極驅動(dòng)器電路，以提供用于切換晶體管放大器（包括RF功率放大器）所需的功率。這些組件是電源系統的組成部分，因為它們在提供所需開(kāi)關(guān)功率的同時(shí)還保護了其他關(guān)鍵組件。這些組件的工作原理以及如何選擇柵極驅動(dòng)器IC的方法如下。

為什么要使用柵極驅動(dòng)器IC？

如上所述，柵極驅動(dòng)器IC向高功率晶體管（例如IGBT或MOSFET）提供高電流，以便將其完全驅動(dòng)到導通狀態(tài)。這些組件從另一個(gè)組件（例如MCU或其他控制器IC）接收低功率輸入。這樣，柵極驅動(dòng)器IC就像MCU和晶體管之間的緩沖器一樣。信號鏈中柵極驅動(dòng)器IC的典型配置如下所示。

柵極驅動(dòng)器IC的信號鏈

盡管柵極驅動(dòng)器的基本目的是充當驅動(dòng)大型晶體管的放大器，但更深層的原因是柵極驅動(dòng)器IC用于開(kāi)關(guān)。使用專(zhuān)用柵極驅動(dòng)器IC的主要目標是：

減少負載晶體管中的開(kāi)關(guān)損耗

減少負載晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間

完全驅動(dòng)晶體管進(jìn)入導通/非導通狀態(tài)

并非所有柵極驅動(dòng)器都提供的第三個(gè)目標是在負載和控制器之間提供隔離。這是由柵極驅動(dòng)器中的一個(gè)小型內部變壓器提供的。這些組件稱(chēng)為隔離式柵極驅動(dòng)器。

所有晶體管都具有一定的非線(xiàn)性電容，即，它們的作用就像變容二極管。當切換負載晶體管時(shí)，一些電荷保留在柵極區域上，從而使溝道保持在其電流非導通或導通狀態(tài)。一旦施加另一個(gè)電流脈沖，如果開(kāi)關(guān)信號很慢或以低電流運行，則晶體管中會(huì )產(chǎn)生高熱量。在較高電流下施加開(kāi)關(guān)信號可以在狀態(tài)之間進(jìn)行更快的切換，而損耗卻更少。

上面所示的配置以及對大功率晶體管的完整，快速調制的需求，使得柵極驅動(dòng)器IC在大功率負載需要完整切換和調制的任何應用中都非常重要。如果我們要使用MCU進(jìn)行此操作，則從MCU汲取的大電流可能會(huì )導致其過(guò)熱并發(fā)生故障，因此需要柵極驅動(dòng)器。開(kāi)關(guān)DC-DC轉換器，功率逆變器和電機驅動(dòng)器電路的三個(gè)典型應用是。

DC-DC轉換

柵極驅動(dòng)器接收到來(lái)自控制器的輸入后，就會(huì )向單個(gè)晶體管或多個(gè)并聯(lián)晶體管輸出高電流。請注意，在具有高電流輸出的開(kāi)關(guān)DC-DC轉換器中，晶體管的并聯(lián)布置是常見(jiàn)的，尤其是在IGBT或MOSFET中。當大型晶體管陣列需要幾安培的電流才能完全切換到導通狀態(tài)時(shí)，這種類(lèi)型的系統是必需的，這在高功率轉換器中很常見(jiàn)。

就信號鏈中的布局而言，柵極驅動(dòng)器將位于反饋環(huán)路內，如下圖所示。MCU可用于實(shí)現簡(jiǎn)單的控制算法以提供穩定的電壓輸出，也可用于響應用戶(hù)輸入來(lái)更改輸出電壓。在需要轉換器提供高電流調節的情況下，可以在MCU / PWM驅動(dòng)器之前的反饋環(huán)路中使用電流檢測放大器，因為這會(huì )提供精確的電流測量值，以用于控制算法。

反饋環(huán)路中的柵極驅動(dòng)器IC，用于DC-DC轉換。

電力逆變器

這與DC-DC轉換有關(guān)，盡管我們現在正在連續切換以產(chǎn)生振蕩波形。在該應用中需要隔離的柵極驅動(dòng)器，以將直流電源和控制器與輸出側隔離。負載側使用反相邏輯，而柵極驅動(dòng)器則提供有低電流振蕩器波形。

電機驅動(dòng)電路

該原理應用涉及以PWM信號驅動(dòng)的晶體管。在這種情況下，柵極驅動(dòng)器接收PWM信號并輸出PWM信號的放大的高電流版本。然后將其發(fā)送到晶體管陣列以驅動(dòng)電機。示例包括驅動(dòng)步進(jìn)電機和有刷電機。隔離式柵極驅動(dòng)器通常在此應用中使用，因為它們出現在MCU /控制器與輸出側的電動(dòng)機之間。

重要的柵極驅動(dòng)器規格

輸出電流是您需要研究的最重要的規格，應將該規格與您的晶體管規格進(jìn)行比較。以下是選擇柵極驅動(dòng)器IC時(shí)應檢查的一些其他重要規格：

柵極驅動(dòng)器的類(lèi)型。gae驅動(dòng)程序有四種類(lèi)型：

高側：用于驅動(dòng)功率晶體管，該功率晶體管連接到?jīng)]有接地參考連接的正電源軌。

低端：用于驅動(dòng)無(wú)參考連接而連接到負電源軌的晶體管。

半橋：這些組件包含低端和高端驅動(dòng)器電路，使其更加靈活。

三相：這些柵極驅動(dòng)器用于三相系統。

上升和下降時(shí)間。這對于減少開(kāi)關(guān)損耗很重要。特別是，以更快的上升/下降時(shí)間進(jìn)行開(kāi)關(guān)將確保晶體管中的開(kāi)關(guān)損耗更低。

最大限度。頻率。這在以上三個(gè)應用程序中都很重要。

溫度額定值。由于這些組件以高功率運行，因此它們可能需要散熱器進(jìn)行冷卻。

安森美半導體的FAN73912MX柵極驅動(dòng)器IC是可以以半橋配置連接的高功率組件的一個(gè)示例。下圖所示的應用電路說(shuō)明了高功率柵極驅動(dòng)器如何與高壓系統中的控制器集成在一起。

FAN73912MX柵極驅動(dòng)器IC應用電路。