栅极驱动器在 PFC 设计中的作用

还记得今年早些时候关于功率因数校正（PFC）和啤酒的有趣类比的文章吗？我认为它是辉煌的！在那种情况下，玻璃杯中的啤酒代表电子设备实际需要的“实际功率”，顶部的泡沫代表“无功功率”，整杯啤酒加上泡沫代表“视在功率”。今天，我接受挑战，提出一个相关的类比来解释栅极驱动器在 PFC 设计中的作用。

我们先简单说一下不同类型的PFC电路。一般来说，PFC 电路要么是无源的，要么是有源的。要创建无源 PFC 电路，我们需要添加电容器和电感器等无源元件以增加电流导通角并平滑脉冲，这有助于减少电流的谐波失真。这种方法简单可靠，但是当功率水平很高时，无源元件的尺寸和成本就成为一个大问题。无源 PFC 设计也只能实现高达 0.9 的功率因数 (PF)，并受频率、负载变化和输入电压的影响。

有源 PFC 使用 DC/DC 电路，其中包含 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 或其他有源组件，以强制电流在形状和相位上跟随电压。与无源 PFC 相比，有源 PFC 可以实现更高的 PF，并且对输入电压没有严格要求。有源 PFC 的缺点包括电路相对复杂；此外，有源元件的损耗也会影响效率。

实现有源PFC电路有不同的拓扑结构，例如升压PFC（也称为传统PFC）、双升压无桥PFC和图腾柱无桥PFC。每种拓扑都包含不同数量的有源组件，并且各有优缺点。在设计 PFC 时，我们应该考虑每种拓扑的效率和额定功率，然后确定使用哪种类型的控制器。然而，许多设计人员忽略的一个部分是连接到控制器以切换 FET 的栅极驱动器。栅极驱动器似乎太常见而无法打扰，但它们在系统性能中发挥着重要作用。

栅极驱动器本质上是一个放大器，可将逻辑信号提升为高电流和高电压信号，从而以最小的开关损耗快速打开和关闭 MOSFET 或 IGBT。做一个与啤酒相关的类比，功率开关 MOSFET 或 IGBT 就像啤酒龙头的手柄，栅极驱动器就像调酒师手中的肌肉，控制器是大脑。调酒师的技能和水龙头把手的质量都会影响你在玻璃杯中实际得到的啤酒量。

在 PFC 电路中，栅极驱动器在升压级切换晶体管以调节电流并强制其与正弦波电压同相。那么栅极驱动器是如何影响 PFC 电路性能的呢？几个参数和功能起着至关重要的作用：

· 驱动电流。尽管并非每个应用都需要强电流驱动（考虑到由大瞬态引起的潜在电磁干扰 (EMI) 问题），但更高功率的应用将需要更强的电流驱动来同时驱动多个 FET。因此，高驱动电流为广泛的电源应用提供了灵活性。

· 开关特性。这些包括传播延迟、延迟匹配和信号上升和下降时间。开关时序将极大地影响电源开关的速度，并使控制更加可预测和准确。短延迟匹配还降低了直通的风险并使设计挑战变得更容易。

· 互锁功能。击穿保护（也称为互锁功能）在某些使用半桥或全桥电路的应用中至关重要。在图腾柱 PFC 中，两个电源开关（一个高侧 FET 和一个低侧 FET）交替打开和关闭。如果两个开关同时打开，电流将流过两个 FET，并可能损坏系统。互锁功能可以防止发生这种直通，导致两个 FET 在其中一个打开之前关闭一小段时间。  

 该设计使用两个硅 MOSFET 和两个氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT)，以最大限度地减少传导损耗。需要两个驱动器：一个用于驱动常规硅 MOSFET 的半桥驱动器和一个用于驱动 GaN 晶体管的半桥驱动器。TI 的 600V LMG3410 GaN 功率级将桥驱动器和 GaN 晶体管集成到一个封装中，这进一步降低了功率损耗并改善了 EMI。为了驱动硅 FET，具有互锁功能的桥式驱动器提高了设计可靠性。

随着更多国家/地区的法规强制要求提高效率，PFC 将越来越多地用于各种应用。明智地选择我们的拓扑和组件，以便我们的 PFC 能够高效工作并满足我们的需求。并且不要忘记栅极驱动器——肌肉。

栅极驱动器的重要性现在应该很清楚了，但大脑在 PFC 设计中扮演着更重要的角色。