IGBT/功率MOSFET是一種電壓控製型器件，可用作電源電路、電機驅動器和其它係統中的開關元件。柵極是每個器件的電氣隔離控製端。MOSFET的另外兩端是源極和漏極，而對於IGBT，它們被稱為集電極和發射極。為了操作MOSFET/IGBT

，通常須將一個電壓施加於柵極（參考器件的源極/發射極）。專用驅動器被用來向功率器件的柵極施加電壓並提供驅動電流。本文討論柵極驅動器是什麼，為何需要柵極驅動器，以及如何定義其基本參數，如時序
、驅動強度和隔離度。

 

 

IGBT/功率MOSFET的結構使得柵極和源極/fashejizhijianxingchengyigefeixianxingdianrong。geizhajidianrongchongdianhuishigonglvqijiandaotong，bingyunxudianliuzaiqiloujiheyuanjiyinjiaozhijianliudong
，erfangdianzehuishiqijianguanduan，loujiheyuanjiyinjiaoshangjiukeyizuduandadianya。dangzhajidianrongchongdianqieqijianganghaokeyidaotongshidezuixiaodianyajiushiyuzhidianya(VTH)。為將IGBT/功率MOSFET用作開關
，應在柵極和源極/發射極引腳之間施加一個充分大於VTH的電壓。

 

考慮一個具有微控製器的數字邏輯係統，其I/O引腳之一上可以輸出一個0 V至5 V的PWM信號。這種PWM將不足以使電源係統中使用的功率器件完全導通，因為功率器件的驅動電壓一般超過標準CMOS/TTL邏輯電壓。因此，邏輯/控製電路和高功率器件之間需要一個接口。這可以通過驅動一個邏輯電平n溝道MOSFET，其進而驅動一個功率MOSFET來實現，如圖1a所示。

 

圖1. 用反相邏輯驅動功率MOSFET
 

如圖1a所示，當IO1發出一個低電平信號時
，VGSQ1

 

如果VDD > VTHQ2，則Q2導通
，可以傳導電流。當IO1輸出高電平時，Q1導通，CGQ2通過Q1放電。VDSQ1 ~ 0 V
，使得VGSQ2

 

這種設置的一個問題是Q1導通狀態下R1的功耗。為了解決此問題，pMOSFET Q3可以作為上拉器件
，其以與Q1互補的方式工作，如圖1b所示。PMOS具有較低導通電阻和非常高的關斷電阻，驅動電路中的功耗大大降低。為在柵極轉換期間控製邊沿速率，Q1的漏極和Q2的柵極之間外加一個小電阻。使用MOSFET的另一個優點是其易於在裸片上製作
，而製作電阻則相對較難。這種驅動功率開關柵極的獨特接口可以單片IC的形式創建
，該IC接受邏輯電平電壓並產生更高的功率輸出。此柵極驅動器IC幾乎總是會有其他內部電路來實現更多功能，但它主要用作功率放大器和電平轉換器。

 

驅動強度：提供適當柵極電壓的問題通過柵極驅動器來解決
，柵極驅動器執行電平轉換任務。不過，柵極電容無法瞬間改變其電壓。因此，功率FET或IGBT具ju有you非fei零ling的de有you限xian切qie換huan間jian隔ge時shi間jian。在zai切qie換huan期qi間jian，器qi件jian可ke能neng處chu於yu高gao電dian流liu和he高gao電dian壓ya狀zhuang態tai

，這zhe會hui產chan生sheng功gong耗hao並bing轉zhuan化hua為wei熱re量liang。因yin此ci
，從cong一yi個ge狀zhuang態tai到dao另ling一yi個ge狀zhuang態tai的de轉zhuan換huan需xu要yao很hen快kuai，以yi盡jin可ke能neng縮suo短duan切qie換huan時shi間jian。為wei了le實shi現xian這zhe一yi點dian

，需xu要yao高gao瞬shun變bian電dian流liu來lai使shi柵zha極ji電dian容rong快kuai速su充chong電dian和he放fang電dian。

 

圖2. 無柵極驅動器的MOSFET導通轉換
 

能夠在更長時間內提供/吸收更高柵極電流的驅動器，切換時間會更短
，因而其驅動的晶體管內的開關功耗也更低。

 

圖3. 有柵極驅動器的MOSFET導通轉換
 

微控製器I/O引腳的拉電流和灌電流額定值通常可達數十毫安

，而柵極驅動器可以提供高得多的電流。圖2中，當功率MOSFET由微控製器I/O引腳以最大額定拉電流驅動時，觀察到切換時間間隔較長。如圖3所示
，采用ADuM4121隔離式柵極驅動器時，轉換時間大大縮短；當驅動同一功率MOSFET時，該驅動器相比微控製器I/O引腳能夠提供高得多的驅動電流。很多情況下，由於數字電路可能會透支電流，直接用微控製器驅動較大功率MOSFET/IGBTkenenghuishikongzhiqiguore，jinershousun。zhajiqudongqijuyougenggaoqudongnengli
，zhichikuaisuqiehuan，shangshenghexiajiangshijianzhiyoujinamiao。zhekeyijianshaokaiguangonglvsunhao
，tigaoxitongxiaolv。yinci，qudongdianliutongchangbeirenweishixuanzezhajiqudongqidezhongyaozhibiao。

 

與驅動電流額定值相對應的是柵極驅動器的漏源導通電阻(RDS(ON))。理想情況下，MOSFET完全導通時的RDS(ON)值應為零

，但由於其物理結構，該阻值一般在幾歐姆範圍內。這考慮了從漏極到源極的電流路徑中的總串聯電阻。

 

RDS(ON)是柵極驅動器最大驅動強度額定值的真正基礎，因為它限製了驅動器可以提供的柵極電流。內部開關的RDS(ON)決定灌電流和拉電流
，但外部串聯電阻用於降低驅動電流，因此會影響邊沿速

率。如圖4所示，高端導通電阻和外部串聯電阻REXT構成充電路徑中的柵極電阻，低端導通電阻和REXT構成放電路徑中的柵極電阻。

 

圖4. 具有MOSFET輸出級和功率器件作為電容的柵極驅動器的RC電路模型
 

RDS(ON)也會直接影響驅動器內部的功耗。對於特定驅動電流
，RDS(ON)值越低，則可以使用的REXT值越高。功耗分布在REXT和RDS(ON)上，因此REXT值越高，意味著驅動器外部的功耗越多。所以
，對於給定芯片麵積和尺寸的IC，為了提高係統效率並放寬驅動器內的熱調節要求，RDS(ON)值越低越好。

 

圖5. ADuM4120柵極驅動器和時序波形
 

 

柵極驅動器時序參數對評估其性能至關重要。包括ADuM4120在內的所有柵極驅動器的一個常見時序規格（如圖5所示）是驅動器的傳播延遲(tD)，其定義為輸入邊沿傳播到輸出所需的時間。如圖5所示，上升傳播延遲(tDLH)可以定義為輸入邊沿升至輸入高閾值(VIH)以上到輸出升至最終值10%以上的時間。類似地
，下降傳播延遲(tDHL)可以表述為從輸入邊沿降至輸入低閾值VIL以下到輸出降至其高電平90%以下的時間。輸出轉換的傳播延遲對於上升沿和下降沿可能不同。

 

圖5haixianshilexinhaodeshangshenghexiajiangshijian。zhexiebianyansulvshoudaoqijianketigongdequdongdianliudeyingxiang，dantamenyequjueyusuoqudongdefuzai，zhezaichuanboyanchijisuanzhongbingweikaolv。lingyigeshixucanshushimaikuanshizhen，qiweitongyiqijiandeshangshenghexiajiangchuanboyanchizhicha。yinci
，maikuanshizhen(PWD) = |tDLH – tDHL|。

 

由於不同器件內的晶體管不匹配，兩個器件的傳播延遲不會完全相同。這會導致傳播延遲偏斜(tSKEW)，其定義為兩個不同器件在相同工作條件下對同一輸入作出響應時，輸出轉換之間的時間差。

 

如圖5所suo示shi

，傳chuan播bo延yan遲chi偏pian斜xie被bei定ding義yi為wei器qi件jian間jian偏pian差cha。對dui於yu具ju有you多duo個ge輸shu出chu通tong道dao的de器qi件jian

，此ci規gui格ge的de表biao述shu方fang式shi相xiang同tong，但dan被bei稱cheng為wei通tong道dao間jian偏pian斜xie。傳chuan播bo延yan遲chi偏pian斜xie通tong常chang不bu能neng在zai控kong製zhi電dian路lu中zhong予yu以yi補bu償chang。

 

圖6顯示了ADuM4121柵極驅動器的典型設置，其結合功率MOSFET使用，采用半橋配置
，適合電源和電機驅動應用。在這種設置中
，如果Q1和Q2同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)


，有(you)可(ke)能(neng)因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)和(he)接(jie)地(di)引(yin)腳(jiao)短(duan)路(lu)而(er)發(fa)生(sheng)直(zhi)通(tong)。這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)永(yong)久(jiu)損(sun)壞(huai)開(kai)關(guan)甚(shen)至(zhi)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)。為(wei)避(bi)免(mian)直(zhi)通(tong)
，必(bi)須(xu)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)插(cha)入(ru)一(yi)個(ge)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)

，從(cong)而(er)大(da)大(da)降(jiang)低(di)兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。在(zai)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)間(jian)隔(ge)內(nei)，兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)的(de)柵(zha)極(ji)信(xin)號(hao)為(wei)低(di)電(dian)平(ping)，因(yin)此(ci)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)下(xia)，開(kai)關(guan)處(chu)於(yu)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)。如(ru)果(guo)傳(chuan)播(bo)延(yan)遲(chi)偏(pian)斜(xie)較(jiao)低(di)，則(ze)所(suo)需(xu)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)較(jiao)短(duan)
，控(kong)製(zhi)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)可(ke)預(yu)測(ce)。偏(pian)斜(xie)越(yue)低(di)且(qie)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)越(yue)短(duan)
，係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)會(hui)更(geng)平(ping)穩(wen)、更高效。時序特性很重要
，因為它們會影響功率開關的操作速度。理解這些參數可以使控製電路設計更加簡單和準確。

 

 

隔離是指係統中各種功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑。這樣，不同電路可以擁有不同的地電位。利用電感、電容或光學方法
，仍可讓信號和/或電源在隔離電路之間通過。對於采用柵極驅動器的係統，隔離對功能的執行可能是必要的，並且也可能是安全要求。圖6中，VBUS可能有幾百伏，在給定時間可能有數十安培的電流通過Q1或Q2。萬(wan)一(yi)此(ci)係(xi)統(tong)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)時(shi)，如(ru)果(guo)損(sun)壞(huai)僅(jin)限(xian)於(yu)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)
，則(ze)安(an)全(quan)隔(ge)離(li)可(ke)能(neng)是(shi)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)，但(dan)如(ru)果(guo)控(kong)製(zhi)側(ce)涉(she)及(ji)到(dao)人(ren)的(de)活(huo)動(dong)，那(na)麼(me)高(gao)功(gong)率(lv)側(ce)和(he)低(di)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)需(xu)要(yao)電(dian)流(liu)隔(ge)離(li)。它(ta)能(neng)防(fang)範(fan)高(gao)壓(ya)側(ce)的(de)任(ren)何(he)故(gu)障(zhang)，因(yin)為(wei)盡(jin)管(guan)有(you)元(yuan)件(jian)損(sun)壞(huai)或(huo)失(shi)效(xiao)，隔(ge)離(li)柵(zha)仍(reng)會(hui)阻(zu)止(zhi)電(dian)力(li)到(dao)達(da)用(yong)戶(hu)。

 

為防止觸電危險，隔離是監管機構和安全認證機構的強製要求。

 

它(ta)還(hai)能(neng)保(bao)護(hu)低(di)壓(ya)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)免(mian)受(shou)高(gao)功(gong)率(lv)側(ce)故(gu)障(zhang)引(yin)起(qi)的(de)任(ren)何(he)損(sun)害(hai)的(de)影(ying)響(xiang)。有(you)多(duo)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)描(miao)述(shu)安(an)全(quan)隔(ge)離(li)，但(dan)在(zai)基(ji)本(ben)層(ceng)麵(mian)上(shang)

，它(ta)們(men)都(dou)與(yu)隔(ge)離(li)柵(zha)的(de)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)有(you)關(guan)。此(ci)電(dian)壓(ya)額(e)定(ding)值(zhi)一(yi)般(ban)針(zhen)對(dui)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)以(yi)及(ji)特(te)定(ding)期(qi)間(jian)和(he)情(qing)況(kuang)的(de)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)而(er)給(gei)出(chu)。這(zhe)些(xie)電(dian)壓(ya)電(dian)平(ping)還(hai)與(yu)驅(qu)動(dong)器(qi)IC的物理尺寸以及隔離柵上引腳之間的最小距離有關。

 

除安全原因外，隔離對於係統正常運行也可能是必不可少的。圖6顯示了電機驅動電路中常用的半橋拓撲結構，給定時間隻有一個開關導通。在高功率側
，低端晶體管Q2的源極接地。Q2的柵源電壓(VGSQ2)因此直接以地為基準
，驅動電路的設計相對簡單。高端晶體管Q1的情況則不同，因為其源極是開關節點
，取決於哪個開關導通，開關節點將被拉至總線電壓或地。要使Q1導通，應施加一個超過其閾值電壓的正柵源電壓(VGSQ1)。因此，當源極連接到VBUS，Q1處於導通狀態時
，其柵極電壓將高於VBUS。如果驅動電路沒有用於接地參考的隔離，則將需要大於VBUS的電壓來驅動Q1。這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)繁(fan)瑣(suo)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，對(dui)於(yu)高(gao)效(xiao)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)並(bing)不(bu)實(shi)用(yong)。因(yin)此(ci)，人(ren)們(men)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)電(dian)平(ping)轉(zhuan)換(huan)並(bing)以(yi)高(gao)端(duan)晶(jing)體(ti)管(guan)源(yuan)極(ji)為(wei)基(ji)準(zhun)的(de)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)。這(zhe)被(bei)稱(cheng)為(wei)功(gong)能(neng)隔(ge)離(li)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)（如ADuM4223）來實現。

 

 

柵zha極ji驅qu動dong器qi用yong在zai有you大da量liang噪zao聲sheng源yuan的de工gong業ye環huan境jing中zhong。噪zao聲sheng會hui破po壞huai數shu據ju
，使shi係xi統tong不bu可ke靠kao
，導dao致zhi性xing能neng下xia降jiang。因yin此ci，柵zha極ji驅qu動dong器qi必bi須xu具ju有you良liang好hao的de抗kang噪zao聲sheng能neng力li
，以yi確que保bao數shu據ju的de完wan整zheng性xing。抗kang擾rao度du與yu驅qu動dong器qi抑yi製zhi電dian磁ci幹gan擾rao(EMI)或RF噪聲及共模瞬變的程度有關。

 

圖6. 采用ADuM4121隔離式柵極驅動器的半橋設置中的隔離柵
 

EMI是指任何破壞電子器件預期操作的電氣噪聲或磁幹擾。EMI（其會影響柵極驅動器）是高頻開關電路的結果，主要由大型工業電機的磁場造成。EMI可以輻射或傳導
，並且可能耦合到附近的其他電路中。因此
，EMI或RFkangraodushihengliangzhajiqudongqiyizhidianciganraobingbaochiwenjianyunxingerwuchacuodenenglidezhibiao。ruojuyougaokangraodu
，qudongqibiankezaidaxingdianjifujinshiyong
，erbuhuiyinqishujuchuanshuguzhang。rutu6所示，隔離柵預期可在不同電位的接地點提供高電壓隔離。

 

danshi
，gaopinqiehuandaozhicijiduandianyazhuanhuandebianyanjiaoduan。youyugelibianjiezhijiandejishengdianrong，zhexiekuaisushunbianercongyiceouhedaolingyice，zhekenengdaozhishujusunhuai。qibiaoxiankenengshizaizhajiqudongxinhaozhongyinrudoudong
，huozhejiangxinhaowanquanfanzhuan，daozhixiaolvdixia
，shenzhizaimouxieqingkuangxiafashengzhitong。yinci，zhajiqudongqideyigejuedingxingzhibiaoshigongmoshunbiankangraodu(CMTI)
，其qi定ding量liang描miao述shu隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi抑yi製zhi輸shu入ru和he輸shu出chu間jian大da共gong模mo瞬shun變bian的de能neng力li。如ru果guo係xi統tong中zhong的de壓ya擺bai率lv很hen高gao，則ze驅qu動dong器qi需xu要yao有you很hen高gao的de抗kang擾rao度du。因yin此ci，當dang在zai高gao頻pin和he大da總zong線xian電dian壓ya下xia工gong作zuo時shi，CMTI數值特別重要。

 

 

benwenzhizaijiandanjieshaozhajiqudongqi

，yinci，daomuqianweizhitaolundecanshubingweiquanmianxiangjindifanyinggelishizhajiqudongqitexing。qudongqihaiyouqitazhibiao，rudianyuandianya
、容許溫度
、引腳排列等
，這些是每個電子器件的共同考慮因素。一些驅動器
，如ADuM4135和ADuM4136，也(ye)包(bao)含(han)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)或(huo)先(xian)進(jin)的(de)檢(jian)測(ce)或(huo)控(kong)製(zhi)機(ji)製(zhi)。市(shi)場(chang)上(shang)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)種(zhong)類(lei)眾(zhong)多(duo)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)了(le)解(jie)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)規(gui)格(ge)和(he)特(te)性(xing)
，以(yi)便(bian)在(zai)相(xiang)關(guan)應(ying)用(yong)中(zhong)就(jiu)使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)作(zuo)出(chu)明(ming)智(zhi)的(de)決(jue)定(ding)。