栅极驱动器及其关键作用

碳化硅和氮化镓开关器件是电源电路中的主要元件。虽然这些器件在运行速度、高电压、处理电流和低功耗等固有特性方面表现出更高的性能，但设计人员往往只关注这些器件，而经常忽略相关的驱动器。

栅极驱动器的作用

有效的电源电路不仅仅由 SiC 和 GaN MOSFET 等固定组件组成。栅极驱动器是一个独立组件，位于电子开关之前，可确保最佳能量传输以有效驱动它们。仅仅将方波或矩形波直接传输到组件的栅极端子是不够的。然而，必须适当地安排驱动信号以提供正确的电位，从而确保振荡对不同组件而言是最佳的。这有助于最大限度地减少寄生元件并尽可能地减轻功率损耗。因此，设计人员必须根据电路执行项目，并考虑终端负载。这涉及研究和开发能够有效驱动功率组件的高质量栅极驱动器。

驱动器效率低下不仅会导致大量功率损耗，还经常导致同步不当，从而导致电路运行异常，甚至导致 MOSFET 损坏。这些器件由电压控制，其栅极用作控制端子，与器件电气隔离。要激活 MOSFET，必须由特定驱动器向此端子施加电压。

MOSFET 的栅极端子可视为非线性电容器。通过向栅极电容器施加电荷，该器件被激活并允许电流在漏极和源极端子之间通过。相反，该电容器的放电将其转换为“关闭”状态。为了激活 MOSFET，需要在栅极和源极端子之间提供大于阈值电压 (VTH) 的电压。该值是给电容器充电并允许 MOSFET 导通所需的最小值。通常，诸如微控制器 (MCU) 之类的数字系统不够强大，无法直接激活该器件。因此，始终需要一个接口(即驱动器)来将控制逻辑与电源开关连接起来。

栅极驱动器主要用作电平转换器。然而，栅极电容器不具备瞬间充电的能力;它需要一定的时间才能达到最大充电量。在此短暂时间内，设备以较大的电流和电压运行，从而产生大量以热量形式存在的电能。遗憾的是，这些能量仍未得到利用，这代表着电力的耗尽。为了最大限度地缩短切换时间并允许栅极电容器快速充电，状态之间的转换必须非常迅速，这需要较大的电流瞬变。下面描述了碳化硅 (SiC) 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 作为电子开关时的行为。它说明了瞬态事件期间不同点的关键信号。

· 顶部的“V(脉冲)”信号表示为系统供电的 PWM 波。这是一个理想的矩形信号，频率在本例中为 100 kHz。这是一个完美的信号。

· “V(栅极)”信号表示栅极端子上的实际信号。如您所见，其趋势是不规则的，因为栅极电容不是线性的，其电压在几分钟后达到最大值，这是电容器充电至最大容量所需的时间。该间隔由时间常数 RC 决定，在本例中约为 150 ns。

· “I(负载)”信号表示流过负载和漏极端子的电流。最初，当 MOSFET 开启时，该信号为低电平，然后当 MOSFET 关闭时，该信号达到最大电平。此序列无限重复。请注意，切换不是立即且瞬时的，而是遵循栅极电压的切换。

· “V(漏极)”信号显示的是VGS电压的变化趋势，显然，它与电流呈反相，并且始终跟随栅极电容的充电速度。

· 最后显示了 MOSFET 的功耗(VDS × ID)，与驱动信号的上升沿和下降沿相对应，它呈现出较高的有害峰值。这就是功率损失，这是栅极驱动器必须尽可能降低的一个因素。