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來(lái)源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 從電源和電機驅動(dòng)器再到充電站和無(wú)數其他應用，硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) MOSFET 以及絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 等開(kāi)關(guān)電源半導體都是實(shí)現高效電源系統設計的關(guān)鍵。但是，要讓電源裝置獲得最高性能，需要適當的柵極驅動(dòng)器。 顧名思義，柵極驅動(dòng)器的作用是驅動(dòng)電源裝置的柵極，使其快速利落地進(jìn)入或退出導通模式。要做到這一點(diǎn)，不論內部器件和雜散（寄生）電容、電感以及負載（柵極）端的其他問(wèn)題如何，驅動(dòng)器都要有能力拉出/灌入足夠的電流。因此，提供適當尺寸且具有適當關(guān)鍵屬性的柵極驅動(dòng)器，對于發(fā)揮電源裝置的最大潛力和效率至關(guān)重要。然而，要想最大限度地發(fā)揮柵極驅動(dòng)器的作用，設計人員必須特別注意驅動(dòng)器的直流電源，而這個(gè)電源獨立于電源裝置的直流電軌之外。此電源與傳統電源類(lèi)似，但也有一些重要的區別之處。它可以是單極電源，但在許多情況下，它是一個(gè)非對稱(chēng)的雙極電源，同時(shí)還有其他功能和結構差異。此外，設計人員還必須注意外形尺寸，包括電路板基底面和扁平要求，以及與設計的預期裝配和制造工藝的兼容性。 本文將以 Murata Power Solutions 的 MGJ2 系列 2 W 柵極驅動(dòng) DC/DC 轉換器中的表面貼裝器件 (SMD) DC/DC 電源為例，重點(diǎn)介紹柵極驅動(dòng)器的電源。 從開(kāi)關(guān)器件開(kāi)始 要了解柵極驅動(dòng)器 DC/DC 轉換器的作用和所需的屬性，需要從開(kāi)關(guān)器件開(kāi)始。在用作開(kāi)關(guān)器件的 MOSFET 中，柵源路徑可用于控制器件的關(guān)斷或導通狀態(tài)（IGBT 與之相似）。當柵源電壓小于閾值電壓 (VGS < VTH) 時(shí)，MOSFET 處于截止區，沒(méi)有漏電流流動(dòng)（ID = 0 A），MOSFET 看起來(lái)像一個(gè)“開(kāi)路開(kāi)關(guān)”（圖 1）。 
圖 1：在截止模式下，MOSFET 漏源路徑看起來(lái)像一個(gè)開(kāi)路開(kāi)關(guān)。（圖片來(lái)源：Quora） 相反，當柵源電壓遠大于閾值電壓 (VGS > VTH) 時(shí)，MOSFET 處于飽和區，有最大漏電流流動(dòng) (ID = VDD /RL)，MOSFET 看起來(lái)像一個(gè)“閉路開(kāi)關(guān)”（圖 2）。對于理想 MOSFET，漏源電壓為零（VDS = 0 V），但在實(shí)踐中，由于內部導通電阻 RDS(on)（通常低于 0.1 Ω，并且可能低至幾十 mΩ），VDS 通常為 0.2 V 左右。
圖 2：在飽和模式下，MOSFET 漏源路徑看起來(lái)像一個(gè)低電阻開(kāi)關(guān)。（圖片來(lái)源：Quora） 雖然原理圖讓人看起來(lái)是施加在柵極上的電壓導致 MOSFET 導通和關(guān)斷，但這種看法并不全面。該電壓驅動(dòng)電流進(jìn)入 MOSFET，直至有足夠的累積電荷將其導通。根據開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器的大�。~定電流）和類(lèi)型，快速進(jìn)入完全導通狀態(tài)所需的電流量可能為區區幾 mA 到幾 A。 柵極驅動(dòng)器的功能是，將足夠的電流快速利落地驅動(dòng)到柵極中，以使 MOSFET 導通，以及將該電流反向拉出，以使 MOSFET 關(guān)斷。更正式地說(shuō)，柵極需要通過(guò)一個(gè)低阻抗電源來(lái)驅動(dòng)，而該電源能夠拉出和灌入足夠的電流，從而實(shí)現控制電荷的快速插入和拔出。 如果 MOSFET 柵極看起來(lái)像一個(gè)純粹的阻性負載，那么此電流的拉出和灌入將會(huì )相對簡(jiǎn)單。但是，不僅 MOSFET 具有內部容性和感性寄生元件，還存在來(lái)自驅動(dòng)器和電源裝置之間的互連器件的寄生效應（圖 3）。
圖 3：此 MOSFET 模型顯示了影響驅動(dòng)器性能的寄生電容和電感。（圖片來(lái)源：Texas Instruments） 于是，柵極驅動(dòng)信號在接近閾值電壓時(shí)會(huì )出現瞬時(shí)振蕩，導致器件在完全導通或關(guān)斷的軌跡上出現一次或多次導通和關(guān)斷；這有點(diǎn)類(lèi)似于機械開(kāi)關(guān)的“開(kāi)關(guān)彈跳”現象（圖 4）。
圖 4：由于 MOSFET 負載中的寄生效應導致驅動(dòng)器輸出出現瞬時(shí)振蕩，進(jìn)而導致類(lèi)似于機械開(kāi)關(guān)彈跳的瞬時(shí)振蕩和誤觸發(fā)。（圖片來(lái)源：Learn About Electronics） 這一現象影響的范圍很廣：小到在開(kāi)關(guān)燈這類(lèi)無(wú)關(guān)緊要的應用中，可能造成沒(méi)有人會(huì )注意到或僅僅有些煩人的細微影響；大到在電源、電機驅動(dòng)器和類(lèi)似子系統中，可能對廣泛使用的脈寬調制 (PWM) 快速開(kāi)關(guān)電路造成損壞。在標準的半橋和全橋拓撲結構中，由于負載被置于上下一對 MOSFET 之間，如果電橋同一側的兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導通，哪怕只是一瞬間，也會(huì )造成短路，甚至是永久性的損壞。這種現象被稱(chēng)為“擊穿”（圖 5）。
圖 5：與正常的 MOSFET 導通（Q1 和 Q4（左圖）或 Q2 和 Q3（右圖））相比，如果由于驅動(dòng)器問(wèn)題或其他原因，電橋的 Q1 和 Q2 或 Q3 和 Q4 同時(shí)導通，則在電源軌和接地之間就會(huì )出現不可接受且可能造成損壞的短路情況，也稱(chēng)為“擊穿”。（圖片來(lái)源：Quora） 柵極驅動(dòng)詳細信息 為了驅動(dòng)電流進(jìn)入柵極，電軌的正電壓應足夠高，以確保電源開(kāi)關(guān)處于完全飽和/增強狀態(tài)，但不應超過(guò)其柵極的絕對最大電壓。雖然此電壓值取決于具體的器件類(lèi)型和型號，但 IGBT 和標準 MOSFET 通常在 15 V 驅動(dòng)電壓下就能完全導通，而典型的 SiC MOSFET 可能需要接近 20 V 的驅動(dòng)電壓才能完全導通。 負柵極驅動(dòng)電壓的情況則要復雜一些。原則上，對于關(guān)斷狀態(tài)，柵極上保持 0 V 電壓就足夠了。但是，利用一個(gè)負電壓（通常介于 -5 V 至 -10 V 之間），則可以實(shí)現受柵極電阻器控制的快速開(kāi)關(guān)。適當的負驅動(dòng)電壓可確保柵極-發(fā)射極的關(guān)斷電壓實(shí)際始終為零或更低。 這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因為只要開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)器基準之間存在任何發(fā)射極電感 (L)（在圖 6 中的“x”點(diǎn)），都會(huì )導致開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)出現反向的柵極-發(fā)射極電壓。雖然該電感可能很小，但即使是極小的 5 nH 電感（幾毫米的導線(xiàn)連接）也會(huì )產(chǎn)生 di/dt 壓擺率達 1000 A/μs 的 5 V 電壓。
圖 6：由于布局因素，在開(kāi)關(guān)和驅動(dòng)器基準之間的“x”點(diǎn)即使有一個(gè)很小的發(fā)射極電感，也會(huì )在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)感應一個(gè)反向的柵極-發(fā)射極電壓，導致出現開(kāi)/關(guān)“抖動(dòng)”。（圖片來(lái)源：Murata Power Solutions） 負柵極驅動(dòng)電壓也有助于克服集電極/漏極-柵極米勒效應電容 Cm 的影響，該電容會(huì )在器件關(guān)斷期間向柵極驅動(dòng)電路注入電流。當器件被關(guān)斷時(shí)，集電極-柵極電壓上升，值為 Cm × dVce/dt 的電流經(jīng)由米勒電容，流入柵極至發(fā)射極/源極電容 Cge，并經(jīng)由柵極電阻器流向驅動(dòng)電路。柵極上產(chǎn)生的電壓 Vge 可能足以再次導通器件，從而造成可能的擊穿和損壞（圖 7）。
圖 7：使用負柵極驅動(dòng)電壓可以克服由于 MOSFET 或 IGBT 內存在米勒效應電容而產(chǎn)生的缺點(diǎn)。（圖片來(lái)源：Murata Power Solutions） 不過(guò)，通過(guò)負柵極驅動(dòng)電壓，這種影響被最小化。出于此原因，有效的驅動(dòng)器設計需要正、負兩個(gè)電壓軌來(lái)實(shí)現柵極驅動(dòng)功能。然而，與大多數具有對稱(chēng)輸出（如 +5 V 和 -5 V）的雙極 DC/DC 轉換器不同，柵極驅動(dòng)器的電源軌通常是非對稱(chēng)的，且正電壓大于負電壓。 確定轉換器的額定功率大小 關(guān)鍵因素之一是柵極驅動(dòng)轉換器必須提供多大的電流，進(jìn)而提供多大的額定功率�；镜挠嬎氵^(guò)程非常簡(jiǎn)單。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，柵極必須通過(guò)柵極電阻器 Rg 進(jìn)行充電和放電。該器件的規格書(shū)中提供了柵極電荷 Qg 值的曲線(xiàn)，其中 Qg 是指在特定的柵極電壓下需要注入到柵極電極以導通（驅動(dòng)）MOSFET 的電荷量。使用以下公式得出必須由 DC/DC 轉換器提供的功率：
其中，Qg 是所選柵極電壓擺動(dòng)（從正到負，值為 Vs，頻率為 F）對應的柵極電荷。該功率耗散在器件的內部柵極電阻 (Rint) 和外部串聯(lián)電阻 Rg 中。大多數柵極驅動(dòng)器需要低于一到兩瓦的電源。 另一個(gè)考慮因素是：給柵極充電和放電所需的峰值電流 (Ipk)。這是 Vs、Rint 和 Rg 的函數。它使用以下公式計算：
在許多情況下，此峰值電流超出了 DC/DC 轉換器可以提供的范圍。大多數設計并沒(méi)有采用更大、更昂貴的電源（在低占空比下運行），而是在驅動(dòng)器電源軌上使用大容量電容器來(lái)供應電流，這些電容器則由轉換器在低電流周期部分進(jìn)行充電。 通過(guò)基本計算可以確定這些大容量電容器的規格。但同樣重要的是，它們必須具有較低的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和電感 (ESL)，以免妨礙它們所輸送的瞬時(shí)電流。 其他柵極驅動(dòng)轉換器考慮因素 柵極驅動(dòng)器的 DC/DC 轉換器還面臨著(zhù)其他特有的問(wèn)題。其中包括： • 調節：當 DC/DC 轉換器沒(méi)有開(kāi)關(guān)時(shí)，器件上的負載接近于零。然而，大多數傳統轉換器任何時(shí)候都需要一個(gè)極小的負載；否則，它們的輸出電壓會(huì )急劇增加，甚至可能達到柵極擊穿電平。 這時(shí)會(huì )發(fā)生以下情況：此高電壓被儲存在大容量電容器上，導致器件開(kāi)始開(kāi)關(guān)時(shí)就會(huì )出現柵極過(guò)壓，直到轉換器電平在正常負載下下降。因此應使用具有鉗位輸出電壓或極低的最低負載要求的 DC/DC 轉換器。 • 啟動(dòng)和關(guān)斷：在驅動(dòng)電路的電壓軌達到指定值之前，IGBT 和 MOSFET 不能由 PWM 控制信號主動(dòng)驅動(dòng)，這一點(diǎn)很重要。然而，當柵極驅動(dòng)轉換器通電和斷電時(shí)，可能存在一種瞬時(shí)條件，即使在 PWM 信號處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)也能驅動(dòng)器件導通，導致器件發(fā)生擊穿和損壞。因此，DC/DC 轉換器輸出在通電和斷電時(shí)應保持穩定，具有單調的上升和下降（圖 8）。
圖 8：DC/DC 轉換器輸出在通電和斷電序列中保持穩定，沒(méi)有出現電壓瞬變，這一點(diǎn)至關(guān)重要。（圖片來(lái)源：Murata Power Solutions） • 隔離和耦合電容：在高功率下，電源逆變器或轉換器通常使用電橋配置來(lái)生成線(xiàn)頻率交流電，或為電機、變壓器或其他負載提供雙向 PWM 驅動(dòng)。為了用戶(hù)安全和滿(mǎn)足監管規定，柵極驅動(dòng) PWM 信號和高壓側開(kāi)關(guān)的相關(guān)驅動(dòng)電源軌需要與接地保持電隔離，兩者之間不存在任何電阻路徑。此外，隔離柵必須非常緊固耐用，在設計壽命期內不會(huì )因為反復的局部放電效應而出現明顯的性能退化。 此外，還有一些問(wèn)題是由于跨越隔離柵的電容耦合造成的；這類(lèi)似于完全絕緣的交流線(xiàn)路變壓器的初級和次級繞組之間的漏電流。這就要求驅動(dòng)電路和相關(guān)的電源軌不能受開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的高 dV/dt 的影響，并且具有極低的耦合電容。 產(chǎn)生這一問(wèn)題的機制是，由于開(kāi)關(guān)速度非�？�，dV/dt 通常高達 10 kV/μs，對于最新的 GaN 器件，甚至高達 100 kV/μs。這種快速擺動(dòng)的 dV/dt 致使瞬時(shí)電流流經(jīng) DC/DC 轉換器隔離柵的電容。 由于電流 I = C x (dV/dt)，即使是僅 20 pF 的很小隔離電容，在 10 kV/μs 的開(kāi)關(guān)作用下，也會(huì )產(chǎn)生 200 mA 的電流。該電流會(huì )找到一條不確定的返回路線(xiàn)，通過(guò)控制器電路返回到電橋，導致連接電阻和電感兩端出現電壓尖峰，而這有可能破壞控制器甚至 DC/DC 轉換器的運行。因此，低耦合電容顯得非常重要。 DC/DC 轉換器的基本隔離和相關(guān)絕緣還存在另一方面的問(wèn)題。隔離柵的設計可以連續承受額定電壓，但由于是開(kāi)關(guān)電壓，因此隔離柵有可能隨著(zhù)時(shí)間的推移而加速退化。這是因為隔離柵材料中存在電化學(xué)和局部放電效應，而這些效應完全取決于固定直流電壓。 因此，DC/DC 轉換器必須具有可靠的絕緣和寬裕的最小爬電和間隙距離。如果轉換器隔離柵也構成安全隔離系統的一部分，則適用相關(guān)機構關(guān)于所需隔離水平（基本、補充、增強）、工作電壓、污染度、過(guò)壓類(lèi)別和海拔高度的監管規定。 由于這些原因，只有具有適當設計和材料的柵極驅動(dòng) DC/DC 轉換器才能通過(guò)或申請 UL60950-1 認證，提供各種級別的基本和增強保護（通常相當于 EN 62477-1:2012 中的保護級別）；更嚴格的認證也已部署到位或正在申請中，以滿(mǎn)足醫療標準 ANSI/AAMI ES60601-1 有關(guān) 1 × 患者保護措施 (MOPP) 和 2 × 操作者保護措施 (MOOP) 的要求。 • 共模瞬態(tài)抗擾度：在更高的開(kāi)關(guān)頻率下，柵極驅動(dòng)器的兩個(gè)獨立接地基準之間存在一個(gè)差分電壓，這時(shí) CMTI 便是一個(gè)重要的柵極驅動(dòng)器參數，隔離式柵極驅動(dòng)器便是如此。CMTI 的定義是，施加在兩個(gè)隔離電路之間的共模電壓的最大可容許上升或下降速率，并以 kV/μs 或 V/ns 為單位。 具有高 CMTI 意味著(zhù)，當用具有極高的上升（正）或下降（負）壓擺率的信號“沖擊”隔離柵時(shí)，隔離式部署的兩端（發(fā)射端和接收端）將會(huì )超出規格書(shū)的規格。DC/DC 轉換器的規格書(shū)應包含此參數的規格值，設計人員則需要根據其電路工作頻率和電壓的具體情況進(jìn)行匹配。 滿(mǎn)足柵極驅動(dòng)器 DC/DC 轉換器的要求 認識到對柵極驅動(dòng) DC/DC 轉換器面臨的諸多富有挑戰性且經(jīng)常相互沖突的需求后，Murata 對其 MGJ2 系列通孔 DC/DC 轉換器進(jìn)行了擴展，以納入 SMD DC/DC 單元。他們的轉換器由于具有高性能、緊湊的外形尺寸和扁平的外形（大約 20 mm 長(cháng) × 15 mm 寬 × 4 mm 高），并且與 SMD 制造工藝兼容，非常適合在空間和重量受限的應用中為 IGBT 和 MOSFET 的高壓側和低壓側柵極驅動(dòng)電路供電（圖 9）。
圖 9：Murata 的 MGJ2 系列 DC/DC 轉換器的所有單元都具有相同的外觀(guān)和尺寸，但提供了各種額定輸入電壓和雙極輸出電壓配對。（圖片來(lái)源：Murata Power Solutions） 該系列 2 W 轉換器的成員采用 5 V、12 V 和 15 V 標稱(chēng)輸入電壓，并提供非對稱(chēng)輸出電壓選擇（+15 V/-5 V、+15 V/-9 V和 +20 V/-5 V 輸出），以支持具有最高系統效率和最少電磁干擾 (EMI) 的最優(yōu)驅動(dòng)電平。表面貼裝封裝簡(jiǎn)化了與柵極驅動(dòng)器的物理集成，可實(shí)現更緊密的布局，從而降低布線(xiàn)的復雜性，同時(shí)最大限度減少 EMI 或射頻干擾 (RFI) 的拾取。 MGJ2 系列被指定用于滿(mǎn)足電機驅動(dòng)器和逆變器中使用的電橋電路所需的高隔離度和 dV/dt 要求，其工業(yè)級額定溫度和結構提供了長(cháng)使用壽命和高可靠性。其他關(guān)鍵屬性包括： · 增強型絕緣，符合 UL62368 認證要求（申請中） · ANSI/AAMI ES60601-1 認證（申請中） · 5.7 kV DC 絕緣測試電壓（根據“高壓測試”） · 超低的隔離電容 · 工作溫度高達 +105°C（降額） · 短路保護 · 特征化的共模瞬變抗擾度 (CMTI) >200 kV/μs · 2.5 kV 的連續隔離耐壓性能 · 特征化的局部放電性能 以下兩個(gè)單元展示了 MGJ2 系列可提供的性能范圍： • MGJ2D152005MPC-R7 接受 15 V 標稱(chēng)輸入（13.5 V 至 16.5 V），并提供高度非對稱(chēng)的 +20 V 和 -5.0 V 輸出，每路電流高達 80 mA。主要規格包括：兩路輸出分別具有 9% 和 8% 的負載調整率（最大值），紋波和噪聲低于 20/45 mV（典型值/最大值），效率為 71/76%（最小值/典型值），隔離電容僅為 3 pF，平均故障時(shí)間 (MTTF) 約為 1100 kHr（使用 MIL-HDBK-217 FN2 確定）和 43,500 kHr（根據 Telecordia SR-332 計算模型）。 • MGJ2D121509MPC-R7 采用 12 V 標稱(chēng)輸入電壓（10.8 V 至 13.2 V），并提供非對稱(chēng)的 +15 V 和 -9.0 V 輸出，每路電流同樣高達 80 mA。其他主要規格包括：+15 V 輸出具有 8%/13% 的負載調整率（典型值/最大值），-9.0 V 輸出具有 7%/12% 的負載調整率（典型值/最大值），紋波和噪聲低于 20/45 mV（典型值/最大值），效率為 72/77%（最低值/典型值），隔離電容為 3 pF，MTTF 約為 1550 kHr（使用 MIL-HDBK-217 FN2 確定）和 47,800 kHr（根據 Telecordia 模型）。 除了詳細說(shuō)明靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的預期列表和圖表外，該系列成員的通用規格書(shū)還列出了這些轉換器符合的許多行業(yè)標準和監管規定，以及用于確定這些因素的相關(guān)測試條件的全面細節。這不僅提高了產(chǎn)品的可信度，在具有嚴格合規性要求的應用中還能加速產(chǎn)品認證。 總結 為開(kāi)關(guān)電源設計選擇合適的 MOSFET 或 IGBT 器件是設計過(guò)程中的一個(gè)重要步驟。此外，還要選擇相關(guān)的柵極驅動(dòng)器，用于控制開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)和關(guān)的狀態(tài)之間快速利落地翻轉。反過(guò)來(lái)，驅動(dòng)器需要一個(gè)合適的 DC/DC 轉換器為其提供工作電源。如前所示，Murata 的 MGJ2 系列 2 W 表面貼裝 DC/DC 轉換器不僅提供了所需的電氣性能，還能滿(mǎn)足這一功能所需的許多復雜的安全和監管規定。 |
