【導讀】本ben設she計ji指zhi南nan分fen為wei三san部bu分fen，將jiang講jiang解jie如ru何he為wei電dian力li電dian子zi應ying用yong中zhong的de功gong率lv開kai關guan器qi件jian選xuan用yong合he適shi的de隔ge離li柵zha極ji驅qu動dong器qi，並bing介jie紹shao實shi戰zhan經jing驗yan。本ben文wen為wei第di一yi部bu分fen，主zhu要yao包bao括kuo隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi的de介jie紹shao和he選xuan型xing指zhi南nan。

安森美(onsemi)的隔離柵極驅動器針對SiC（碳化矽）和GaN（氮化镓）等技術所需的最高開關速度和係統尺寸限製而設計
，為 MOSFET 提供可靠控製。電力電子行業的許多設計人員對於在諸多類型的電力電子應用中使用Si MOSFET、SiC和GaN MOSFET 具(ju)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)經(jing)驗(yan)
，堪(kan)稱(cheng)專(zhuan)家(jia)級(ji)用(yong)戶(hu)。係(xi)統(tong)製(zhi)造(zao)商(shang)對(dui)提(ti)高(gao)設(she)計(ji)的(de)能(neng)效(xiao)越(yue)來(lai)越(yue)感(gan)興(xing)趣(qu)。為(wei)了(le)取(qu)得(de)市(shi)場(chang)領(ling)先(xian)的(de)地(di)位(wei)，高(gao)能(neng)效(xiao)和(he)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)結(jie)合(he)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。從(cong)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)
，該(gai)領(ling)域(yu)已(yi)經(jing)取(qu)得(de)了(le)長(chang)足(zu)的(de)進(jin)步(bu)，現(xian)在(zai)有(you)一(yi)些(xie)產(chan)品(pin)能(neng)夠(gou)高(gao)速(su)開(kai)關(guan)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)級(ji)效(xiao)率(lv)，同(tong)時(shi)減(jian)小(xiao)尺(chi)寸(cun)。

柵極驅動器——是什麼、為何使用以及如何做？

功率 MOSFET 是一種電壓控製型器件，可用作電源電路、電機驅動器和其他係統中的開關元件。柵極是每個器件的電氣隔離控製端。MOSFET 的其他端子是源極和漏極。

為了操作 MOSFET，通常須將一個電壓施加於柵極（相對於源極或發射極）。使用專用驅動器向功率器件的柵極施加電壓並提供驅動電流。

柵極驅動器用於導通和關斷功率器件。為此
，柵極驅動器對功率器件的柵極充電
，使其達到最終的導通電壓 VGS(ON)
，或者驅動電路使柵極放電到最終的關斷電壓 VGS(OFF)。為了實現兩個柵極電壓電平之間的轉換，柵極驅動器
、柵極電阻和功率器件之間的環路中會產生一些功耗。

如今，用於中低功率應用的高頻轉換器主要利用柵極電壓控製器件
，如MOSFET。

對於高功率應用
，當今使用的最佳器件是碳化矽 (SiC) MOSFET
，快速導通/關斷這種功率開關需要更高的驅動電流。柵極驅動器不僅適用於 MOSFET，而且適用於寬禁帶中目前隻有少數人知道的新型器件
，如碳化矽 (SiC) FET 和氮化镓 (GaN) FET。

它是一種功率放大器，可以接受控製器 IC 的功率輸入，並產生適當的大電流以驅動功率開關器件的柵極。

以下簡要總結了使用柵極驅動器的原因：

●   柵極驅動阻抗

柵極驅動器的功能是導通和關斷功率器件（通常很快）以(yi)減(jian)少(shao)損(sun)耗(hao)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)米(mi)勒(le)效(xiao)應(ying)或(huo)在(zai)某(mou)些(xie)負(fu)載(zai)下(xia)的(de)慢(man)速(su)開(kai)關(guan)所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)交(jiao)叉(cha)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)
，驅(qu)動(dong)器(qi)必(bi)須(xu)以(yi)比(bi)相(xiang)對(dui)晶(jing)體(ti)管(guan)上(shang)的(de)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)驅(qu)動(dong)更(geng)低(di)的(de)阻(zu)抗(kang)建(jian)立(li)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)。負(fu)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)裕(yu)量(liang)對(dui)於(yu)減(jian)少(shao)這(zhe)些(xie)損(sun)耗(hao)起(qi)著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)。

●   源極電感

這zhe是shi柵zha極ji驅qu動dong器qi電dian流liu環huan路lu和he輸shu出chu電dian流liu環huan路lu共gong享xiang的de電dian感gan。負fu柵zha極ji驅qu動dong電dian壓ya裕yu量liang與yu源yuan極ji引yin線xian電dian感gan相xiang結jie合he，會hui對dui負fu載zai下xia輸shu出chu的de開kai關guan速su度du產chan生sheng直zhi接jie影ying響xiang，這zhe是shi源yuan極ji電dian感gan的de源yuan極ji退tui化hua效xiao應ying（源極引線電感將輸出開關電流耦合回柵極驅動，從而減緩柵極驅動）造成的。

柵極驅動器在功率 MOSFET 的柵極 (G) 和源極 (S) 之間施加電壓信號 (V_GS)
，同時提供一個大電流脈衝
，如圖 1 所示。

●   使 CGS
、CGD 快速充電/放電

●   快速導通/關斷功率 MOSFET

圖1. 柵極驅動電流路徑

為何使用電流隔離？

高gao功gong率lv應ying用yong需xu要yao電dian流liu隔ge離li以yi防fang止zhi觸chu發fa危wei險xian的de接jie地di環huan路lu，否fou則ze可ke能neng導dao致zhi噪zao聲sheng，使shi得de兩liang個ge電dian路lu的de接jie地di處chu於yu不bu同tong的de電dian位wei，進jin而er損sun害hai係xi統tong的de安an全quan性xing。此ci類lei係xi統tong中zhong的de電dian流liu對dui人ren類lei可ke能neng致zhi命ming
，因yin此ci必bi須xu確que保bao最zui高gao水shui平ping的de安an全quan性xing。電dian氣qi或huo電dian流liu隔ge離li是shi指zhi處chu於yu不bu同tong電dian位wei的de兩liang個ge點dian之zhi間jian未wei發fa生sheng直zhi流liu循xun環huan的de狀zhuang態tai。

更確切地說，在電流隔離狀態下

，無法將載流子從一個點移至另一點
，但電能（或信號）仍然可以通過其他物理現象（如電磁感應、容性耦合或光）交換。這種情況等效於兩個點之間的電阻無限大；在實踐中，達到大約 100 MΩ 的de電dian阻zu就jiu足zu夠gou了le。如ru果guo損sun壞huai僅jin限xian於yu電dian子zi元yuan器qi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即ji使shi有you元yuan器qi件jian損sun壞huai或huo失shi效xiao，隔ge離li柵zha也ye會hui阻zu止zhi電dian力li到dao達da用yong戶hu。為wei防fang止zhi觸chu電dian危wei險xian
，隔ge離li是shi監jian管guan機ji構gou和he安an全quan認ren證zheng機ji構gou的de強qiang製zhi要yao求qiu。以yi下xia是shi關guan於yu使shi用yong原yuan因yin和he許xu多duo功gong率lv應ying用yong中zhong的de電dian流liu隔ge離li方fang法fa的de總zong結jie。

●   防範並安全地承受高壓浪湧
，避免損壞設備或危害人類。

●   保護昂貴的控製器 - 智能係統

●   在具有高能量或長距離分離的電路中，耐受較大的電位差和破壞性接地環路

●   與高壓高性能解決方案中的高壓側元器件可靠地通信

圖 2. 非隔離與隔離

隔離式柵極驅動器選型指南

下xia麵mian說shuo明ming如ru何he進jin行xing隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi選xuan型xing。例li如ru

，對dui於yu工gong作zuo電dian壓ya較jiao低di的de係xi統tong

，隻zhi要yao控kong製zhi器qi的de承cheng受shou電dian壓ya在zai允yun許xu範fan圍wei內nei，開kai關guan器qi件jian便bian可ke直zhi接jie連lian接jie到dao控kong製zhi器qi。但dan是shi
，柵zha極ji驅qu動dong器qi是shi大da多duo數shu電dian源yuan轉zhuan換huan器qi中zhong的de常chang見jian元yuan件jian。由you於yu控kong製zhi電dian路lu以yi低di壓ya工gong作zuo，因yin此ci控kong製zhi器qi無wu法fa提ti供gong足zu夠gou的de功gong率lv來lai快kuai速su安an全quan地di斷duan開kai或huo閉bi合he功gong率lv開kai關guan。因yin此ci
，將jiang控kong製zhi器qi的de信xin號hao發fa送song到dao柵zha極ji驅qu動dong器qi，柵zha極ji驅qu動dong器qi能neng夠gou承cheng受shou更geng高gao的de功gong率lv，並bing可ke以yi根gen據ju需xu要yao驅qu動dong MOSFET 的柵極。在高功率或高壓應用中
，電路中的元件會承受較大電壓偏移和高電流。如果電流從功率 MOSFET xieloudaokongzhidianlu，gonglvzhuanhuandianluzhongdegaodianyahedianliuhenrongyishaohuijingtiguan，daozhikongzhidianluyanzhongbengkui。ciwai，gaogonglvyingyongdeshuruheshuchuzhijianbixujuyoudianliugeliyibaohuyonghuherenheqitaqijian。

柵極驅動電壓範圍

轉換器的工作電壓取決於開關元件（如 Si MOSFET 或 SiC MOSFET）的規格。必須確認
，轉換器輸出電壓不超過開關元件柵極電壓的最大值。

柵極驅動器的正電壓應足夠高
，以確保門柵極完全導通。還需要確保驅動電壓不超過絕對最大柵極電壓。Si-MOSFET通常使用+12V的驅動電壓
，+15V通常用於驅動SiC
，GaN的柵極電壓為+5V。0-V 的柵極電壓可以使所有器件處於關斷狀態。一般而言，MOSFET 不需要負偏置柵極驅動
，SiC和GaN MOSFET有時會使用這種柵極驅動。在開關應用中，強烈建議對 SiC 和 GaN MOSFET 使用負偏壓柵極驅動，因為在高di/dt和dv/dt開關期間
，非理想 PCB 布局引入的寄生電感可能會導致功率晶體管的柵源驅動電壓發生振鈴。以下是每種開關器件的適用柵極驅動電壓。

隔離能力

cinengliyouxitongdegongzuodianyajueding。xitonggongzuodianyayugelinenglichengzhengbi。gelishizhajiqudongqideguanjiancanshuzhiyishiqigelidianyaedingzhi。geliedingzhizhizaibimianyiwaidianyashunbianpohuaiyudianyuanxiangliandeqitadianlu，yinciyongyouzhengquedegeliedingzhishibaohuyonghumianshouqianzaiyouhaidianliufangdianyingxiangdeguanjian。lingwai，ciedingzhikeyirangzhuanhuanqineidexinhaomianshouzaoshenghuoyiwaigongmodianyashunbiandeganrao。gelizhitongchangbiaoshiweigelicengkeyichengshoudedianyaliang。zaidabufengelishizhajiqudongqishujubiaozhong，gelidianyashiyizuidazhongfufengzhigelidianya (V_IORM)、工作隔離電壓 (V_IOWM)、最大瞬變隔離電壓 (V_IOTM)、最大浪湧隔離電壓 (V_IOSM)、RMS 隔離電壓 (V_ISO) 之類參數列出。係統工作電壓越高
，所需的轉換器隔離能力越高。

安森美的隔離式柵極驅動器在 MPS 測試儀（型號 MSPS-20）上進行生產測試。

隔離電容

隔離電容是轉換器輸入側和輸出側之間的寄生電容。通過以下公式可知，隔離電容與漏電流成正比。

其中：I_leak：漏電流，f_S：工作頻率，C_ISO：隔離電容。V_SYS：係統工作電壓

功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)與(yu)漏(lou)電(dian)流(liu)成(cheng)正(zheng)比(bi)。如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)在(zai)高(gao)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)和(he)高(gao)電(dian)壓(ya)下(xia)運(yun)行(xing)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)更(geng)加(jia)注(zhu)意(yi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)隔(ge)離(li)電(dian)容(rong)的(de)大(da)小(xiao)，避(bi)免(mian)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)過(guo)高(gao)。

共模瞬變抗擾度 (CMTI)

共模瞬變抗擾度 (CMTI) 是與隔離式柵極驅動器相關的主要特性之一，尤其是當係統以高開關頻率運行時。這一點很重要，因為高擺率（高頻）瞬變可能會破壞跨越隔離柵的數據傳輸。隔離柵兩端（即隔離接地層之間）的電容為這些快速瞬變跨過隔離柵並破壞輸出波形提供了路徑。此特性參數的單位通常為 kV/uS。

如果 CMTI 不(bu)夠(gou)高(gao)，則(ze)高(gao)功(gong)率(lv)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)會(hui)耦(ou)合(he)跨(kua)過(guo)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)，從(cong)而(er)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)並(bing)導(dao)致(zhi)電(dian)荷(he)出(chu)現(xian)在(zai)開(kai)關(guan)柵(zha)極(ji)處(chu)。此(ci)電(dian)荷(he)如(ru)果(guo)足(zu)夠(gou)大(da)

，可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)將(jiang)此(ci)噪(zao)聲(sheng)誤(wu)解(jie)為(wei)驅(qu)動(dong)信(xin)號(hao)，這(zhe)種(zhong)直(zhi)通(tong)會(hui)造(zao)成(cheng)嚴(yan)重(zhong)的(de)電(dian)路(lu)故(gu)障(zhang)。

電流驅動能力考量

短時間內能夠提供/吸收的柵極電流越高，柵極驅動器的開關時間就越短
，受驅動的晶體管內的開關功率損耗就越低。

峰值拉電流和灌電流（I_SOURCE 和 I_SINK）應高於平均電流 (I_{G, AV})
，如圖 3 所示。

圖 3. 電流驅動能力定義

對於每個驅動器電流額定值，在所示時間內可以切換的最大柵極電荷 Q_G 近似值可以計算如下：所需的驅動器電流額定值取決於在多少開關時間 t_SW−ON/OFF 內必須移動多少柵極電荷 Q_G，因為開關期間的平均柵極電流為 I_G。

其中，t_SW,ON/OFF表示應以多快的速度切換 MOSFET。如果不知道，可從開關周期 t_SW 的 2% 開始。

柵極驅動器峰值拉電流和灌電流近似值可以使用下麵的公式計算。

導通時（拉電流）

關斷時（灌電流）

其中，Q_G 為 V_GS = V_CC 時的柵極電荷，t_{SW, ON/OFF} = 開關通斷時間，1.5 = 經驗確定的係數（受經過驅動器輸入級和寄生元件的延遲影響）

柵極電阻考量

確que定ding柵zha極ji電dian阻zu的de大da小xiao時shi
，應ying考kao慮lv降jiang低di寄ji生sheng電dian感gan和he電dian容rong造zao成cheng的de振zhen鈴ling電dian壓ya。但dan是shi，它ta會hui限xian製zhi柵zha極ji驅qu動dong器qi輸shu出chu的de電dian流liu能neng力li。導dao通tong和he關guan斷duan柵zha極ji電dian阻zu引yin起qi的de受shou限xian電dian流liu能neng力li值zhi可ke以yi使shi用yong下xia麵mian的de公gong式shi獲huo得de。

其中：I_SOURCE：峰值拉電流
，I_SINK：峰值灌電流，V_OH：高電平輸出壓降
，V_OL：低電平輸出壓降

安森美的隔離式柵極驅動器

安(an)森(sen)美(mei)提(ti)供(gong)各(ge)種(zhong)基(ji)於(yu)集(ji)成(cheng)磁(ci)耦(ou)合(he)無(wu)芯(xin)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)，適(shi)合(he)開(kai)關(guan)速(su)度(du)非(fei)常(chang)高(gao)並(bing)存(cun)在(zai)係(xi)統(tong)尺(chi)寸(cun)限(xian)製(zhi)的(de)應(ying)用(yong)，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)可(ke)靠(kao)地(di)控(kong)製(zhi) Si MOSFET 和 SiC FET。

我們提供經UL 1577、SGS FIMKO IEC 62368-1和CQC GB 4943.1認證的功能性和增強型隔離產品。我們的隔離式柵極驅動器既有工業用產品，也有通過汽車應用認證的產品。

這些隔離式柵極驅動器集成了多種特性，可承受高 CMTI 電平
，具備多種 UVLO 選擇，並提供快速傳播延遲（包括較短延遲不匹配）和最短脈衝寬度失真。

特別是，安森美即將推出的新品將提供一種在柵極驅動環路中產生負偏壓的簡單方法，適合驅動SiC MOSFET。如果 PCB 布局和/或封裝引線在功率晶體管 Vg 中產生高振鈴，這種負偏壓將非常有用。這種柵極電壓振鈴一般發生在高 di/dt 和 dv/dt 開關條件下。為使振鈴低於閾值電壓以防止雜散導通，一般會在柵極驅動器上施加負偏壓。此外還可以提供不同的選項，可生成-2V
、 -3V、 -4V  和 -5V 電壓以適應所有配置。安森美的隔離式柵極驅動器提供多種封裝選項
，包括小型 LGA 和 SOIC 8 引腳至16引腳變體。

以下是安森美隔離式柵極驅動器係列的主要特性、電氣規格和安全相關認證。

表 1.

* 正在開發

** 選配，按需提供

*** 已規劃

隔離式柵極驅動器支持工具

安森美主頁上提供了電流隔離式柵極驅動器的所有相關文檔，包括數據表、設計和開發工具、仿真模型、應用筆記、評估板文檔
、遵從性報告等。

主要相關驅動器包括：

●   NCP51560

●   NCP51561 和 NCV51561

●   NCP51563 和 NCV51563

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