如何選擇柵極驅動器IC

2021-04-28

如何選擇柵極驅動器IC

如今，無論晶體管集成到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狀態之間切換，從而使電流流過器件。更大的晶體管，無論在物理上還是在電流輸出方面，都需要更多的功率來進行開關。該電源可以由柵極驅動器IC提供，后者專門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器IC。高頻應用可以在收發器或其他RF組件內部包括優化的柵極驅動器電路，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關功率的同時還保護了其他關鍵組件。這些組件的工作原理以及如何選擇柵極驅動器IC的方法如下。

為什么要使用柵極驅動器IC？

如上所述，柵極驅動器IC向高功率晶體管（例如IGBT或MOSFET）提供高電流，以便將其完全驅動到導通狀態。這些組件從另一個組件（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。信號鏈中柵極驅動器IC的典型配置如下所示。

柵極驅動器IC的信號鏈

盡管柵極驅動器的基本目的是充當驅動大型晶體管的放大器，但更深層的原因是柵極驅動器IC用于開關。使用專用柵極驅動器IC的主要目標是：

減少負載晶體管中的開關損耗

減少負載晶體管的開關時間

完全驅動晶體管進入導通/非導通狀態

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

所有晶體管都具有一定的非線性電容，即，它們的作用就像變容二極管。當切換負載晶體管時，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。一旦施加另一個電流脈沖，如果開關信號很慢或以低電流運行，則晶體管中會產生高熱量。在較高電流下施加開關信號可以在狀態之間進行更快的切換，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進行此操作，則從MCU汲取的大電流可能會導致其過熱并發生故障，因此需要柵極驅動器。開關DC-DC轉換器，功率逆變器和電機驅動器電路的三個典型應用是。

DC-DC轉換

柵極驅動器接收到來自控制器的輸入后，就會向單個晶體管或多個并聯晶體管輸出高電流。請注意，在具有高電流輸出的開關DC-DC轉換器中，晶體管的并聯布置是常見的，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時，這種類型的系統是必需的，這在高功率轉換器中很常見。

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

反饋環路中的柵極驅動器IC，用于DC-DC轉換。

電力逆變器

這與DC-DC轉換有關，盡管我們現在正在連續切換以產生振蕩波形。在該應用中需要隔離的柵極驅動器，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，而柵極驅動器則提供有低電流振蕩器波形。

電機驅動電路

該原理應用涉及以PWM信號驅動的晶體管。在這種情況下，柵極驅動器接收PWM信號并輸出PWM信號的放大的高電流版本。然后將其發送到晶體管陣列以驅動電機。示例包括驅動步進電機和有刷電機。隔離式柵極驅動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機之間。

重要的柵極驅動器規格

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行比較。以下是選擇柵極驅動器IC時應檢查的一些其他重要規格：

柵極驅動器的類型。gae驅動程序有四種類型：

高側：用于驅動功率晶體管，該功率晶體管連接到沒有接地參考連接的正電源軌。

低端：用于驅動無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器電路，使其更加靈活。

三相：這些柵極驅動器用于三相系統。

上升和下降時間。這對于減少開關損耗很重要。特別是，以更快的上升/下降時間進行開關將確保晶體管中的開關損耗更低。

最大限度。頻率。這在以上三個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行冷卻。

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

FAN73912MX柵極驅動器IC應用電路。