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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 從電源和電機驅動器再到充電站和無數其他應用，硅 (Si)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) MOSFET 以及絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT) 等開關電源半導體都是實現高效電源系統設計的關鍵。但是，要讓電源裝置獲得最高性能，需要適當的柵極驅動器。 顧名思義，柵極驅動器的作用是驅動電源裝置的柵極，使其快速利落地進入或退出導通模式。要做到這一點，不論內部器件和雜散（寄生）電容、電感以及負載（柵極）端的其他問題如何，驅動器都要有能力拉出/灌入足夠的電流。因此，提供適當尺寸且具有適當關鍵屬性的柵極驅動器，對于發揮電源裝置的最大潛力和效率至關重要。然而，要想最大限度地發揮柵極驅動器的作用，設計人員必須特別注意驅動器的直流電源，而這個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，它是一個非對稱的雙極電源，同時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 DC/DC 轉換器中的表面貼裝器件 (SMD) DC/DC 電源為例，重點介紹柵極驅動器的電源。 從開關器件開始 要了解柵極驅動器 DC/DC 轉換器的作用和所需的屬性，需要從開關器件開始。在用作開關器件的 MOSFET 中，柵源路徑可用于控制器件的關斷或導通狀態（IGBT 與之相似）。當柵源電壓小于閾值電壓 (VGS < VTH) 時，MOSFET 處于截止區，沒有漏電流流動（ID = 0 A），MOSFET 看起來像一個“開路開關”（圖 1）。 
圖 1：在截止模式下，MOSFET 漏源路徑看起來像一個開路開關。（圖片來源：Quora） 相反，當柵源電壓遠大于閾值電壓 (VGS > VTH) 時，MOSFET 處于飽和區，有最大漏電流流動 (ID = VDD /RL)，MOSFET 看起來像一個“閉路開關”（圖 2）。對于理想 MOSFET，漏源電壓為零（VDS = 0 V），但在實踐中，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 漏源路徑看起來像一個低電阻開關。（圖片來源：Quora） 雖然原理圖讓人看起來是施加在柵極上的電壓導致 MOSFET 導通和關斷，但這種看法并不全面。該電壓驅動電流進入 MOSFET，直至有足夠的累積電荷將其導通。根據開關驅動器的大小（額定電流）和類型，快速進入完全導通狀態所需的電流量可能為區區幾 mA 到幾 A。 柵極驅動器的功能是，將足夠的電流快速利落地驅動到柵極中，以使 MOSFET 導通，以及將該電流反向拉出，以使 MOSFET 關斷。更正式地說，柵極需要通過一個低阻抗電源來驅動，而該電源能夠拉出和灌入足夠的電流，從而實現控制電荷的快速插入和拔出。 如果 MOSFET 柵極看起來像一個純粹的阻性負載，那么此電流的拉出和灌入將會相對簡單。但是，不僅 MOSFET 具有內部容性和感性寄生元件，還存在來自驅動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器性能的寄生電容和電感。（圖片來源：Texas Instruments） 于是，柵極驅動信號在接近閾值電壓時會出現瞬時振蕩，導致器件在完全導通或關斷的軌跡上出現一次或多次導通和關斷；這有點類似于機械開關的“開關彈跳”現象（圖 4）。
圖 4：由于 MOSFET 負載中的寄生效應導致驅動器輸出出現瞬時振蕩，進而導致類似于機械開關彈跳的瞬時振蕩和誤觸發。（圖片來源：Learn About Electronics） 這一現象影響的范圍很廣：小到在開關燈這類無關緊要的應用中，可能造成沒有人會注意到或僅僅有些煩人的細微影響；大到在電源、電機驅動器和類似子系統中，可能對廣泛使用的脈寬調制 (PWM) 快速開關電路造成損壞。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 MOSFET 同時導通，哪怕只是一瞬間，也會造成短路，甚至是永久性的損壞。這種現象被稱為“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，如果由于驅動器問題或其他原因，電橋的 Q1 和 Q2 或 Q3 和 Q4 同時導通，則在電源軌和接地之間就會出現不可接受且可能造成損壞的短路情況，也稱為“擊穿”。（圖片來源：Quora） 柵極驅動詳細信息 為了驅動電流進入柵極，電軌的正電壓應足夠高，以確保電源開關處于完全飽和/增強狀態，但不應超過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型和型號，但 IGBT 和標準 MOSFET 通常在 15 V 驅動電壓下就能完全導通，而典型的 SiC MOSFET 可能需要接近 20 V 的驅動電壓才能完全導通。 負柵極驅動電壓的情況則要復雜一些。原則上，對于關斷狀態，柵極上保持 0 V 電壓就足夠了。但是，利用一個負電壓（通常介于 -5 V 至 -10 V 之間），則可以實現受柵極電阻器控制的快速開關。適當的負驅動電壓可確保柵極-發射極的關斷電壓實際始終為零或更低。 這一點很關鍵，因為只要開關和驅動器基準之間存在任何發射極電感 (L)（在圖 6 中的“x”點），都會導致開關關斷時出現反向的柵極-發射極電壓。雖然該電感可能很小，但即使是極小的 5 nH 電感（幾毫米的導線連接）也會產生 di/dt 壓擺率達 1000 A/μs 的 5 V 電壓。
圖 6：由于布局因素，在開關和驅動器基準之間的“x”點即使有一個很小的發射極電感，也會在開關關斷時感應一個反向的柵極-發射極電壓，導致出現開/關“抖動”。（圖片來源：Murata Power Solutions） 負柵極驅動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，該電容會在器件關斷期間向柵極驅動電路注入電流。當器件被關斷時，集電極-柵極電壓上升，值為 Cm × dVce/dt 的電流經由米勒電容，流入柵極至發射極/源極電容 Cge，并經由柵極電阻器流向驅動電路。柵極上產生的電壓 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：使用負柵極驅動電壓可以克服由于 MOSFET 或 IGBT 內存在米勒效應電容而產生的缺點。（圖片來源：Murata Power Solutions） 不過，通過負柵極驅動電壓，這種影響被最小化。出于此原因，有效的驅動器設計需要正、負兩個電壓軌來實現柵極驅動功能。然而，與大多數具有對稱輸出（如 +5 V 和 -5 V）的雙極 DC/DC 轉換器不同，柵極驅動器的電源軌通常是非對稱的，且正電壓大于負電壓。 確定轉換器的額定功率大小 關鍵因素之一是柵極驅動轉換器必須提供多大的電流，進而提供多大的額定功率。基本的計算過程非常簡單。在每個開關周期，柵極必須通過柵極電阻器 Rg 進行充電和放電。該器件的規格書中提供了柵極電荷 Qg 值的曲線，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）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（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) 和外部串聯電阻 Rg 中。大多數柵極驅動器需要低于一到兩瓦的電源。 另一個考慮因素是：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。大多數設計并沒有采用更大、更昂貴的電源（在低占空比下運行），而是在驅動器電源軌上使用大容量電容器來供應電流，這些電容器則由轉換器在低電流周期部分進行充電。 通過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電阻 (ESR) 和電感 (ESL)，以免妨礙它們所輸送的瞬時電流。 其他柵極驅動轉換器考慮因素 柵極驅動器的 DC/DC 轉換器還面臨著其他特有的問題。其中包括： • 調節：當 DC/DC 轉換器沒有開關時，器件上的負載接近于零。然而，大多數傳統轉換器任何時候都需要一個極小的負載；否則，它們的輸出電壓會急劇增加，甚至可能達到柵極擊穿電平。 這時會發生以下情況：此高電壓被儲存在大容量電容器上，導致器件開始開關時就會出現柵極過壓，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。 • 啟動和關斷：在驅動電路的電壓軌達到指定值之前，IGBT 和 MOSFET 不能由 PWM 控制信號主動驅動，這一點很重要。然而，當柵極驅動轉換器通電和斷電時，可能存在一種瞬時條件，即使在 PWM 信號處于非活動狀態時也能驅動器件導通，導致器件發生擊穿和損壞。因此，DC/DC 轉換器輸出在通電和斷電時應保持穩定，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，沒有出現電壓瞬變，這一點至關重要。（圖片來源：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生成線頻率交流電，或為電機、變壓器或其他負載提供雙向 PWM 驅動。為了用戶安全和滿足監管規定，柵極驅動 PWM 信號和高壓側開關的相關驅動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，還有一些問題是由于跨越隔離柵的電容耦合造成的；這類似于完全絕緣的交流線路變壓器的初級和次級繞組之間的漏電流。這就要求驅動電路和相關的電源軌不能受開關節點處的高 dV/dt 的影響，并且具有極低的耦合電容。 產生這一問題的機制是，由于開關速度非常快，dV/dt 通常高達 10 kV/μs，對于最新的 GaN 器件，甚至高達 100 kV/μs。這種快速擺動的 dV/dt 致使瞬時電流流經 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 的開關作用下，也會產生 200 mA 的電流。該電流會找到一條不確定的返回路線，通過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絕緣還存在另一方面的問題。隔離柵的設計可以連續承受額定電壓，但由于是開關電壓，因此隔離柵有可能隨著時間的推移而加速退化。這是因為隔離柵材料中存在電化學和局部放電效應，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，則適用相關機構關于所需隔離水平（基本、補充、增強）、工作電壓、污染度、過壓類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 DC/DC 轉換器才能通過或申請 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，以滿足醫療標準 ANSI/AAMI ES60601-1 有關 1 × 患者保護措施 (MOPP) 和 2 × 操作者保護措施 (MOOP) 的要求。 • 共模瞬態抗擾度：在更高的開關頻率下，柵極驅動器的兩個獨立接地基準之間存在一個差分電壓，這時 CMTI 便是一個重要的柵極驅動器參數，隔離式柵極驅動器便是如此。CMTI 的定義是，施加在兩個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，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，隔離式部署的兩端（發射端和接收端）將會超出規格書的規格。DC/DC 轉換器的規格書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行匹配。 滿足柵極驅動器 DC/DC 轉換器的要求 認識到對柵極驅動 DC/DC 轉換器面臨的諸多富有挑戰性且經常相互沖突的需求后，Murata 對其 MGJ2 系列通孔 DC/DC 轉換器進行了擴展，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 × 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 標稱輸入電壓，并提供非對稱輸出電壓選擇（+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) 的最優驅動電平。表面貼裝封裝簡化了與柵極驅動器的物理集成，可實現更緊密的布局，從而降低布線的復雜性，同時最大限度減少 EMI 或射頻干擾 (RFI) 的拾取。 MGJ2 系列被指定用于滿足電機驅動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，其工業級額定溫度和結構提供了長使用壽命和高可靠性。其他關鍵屬性包括： · 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 以下兩個單元展示了 MGJ2 系列可提供的性能范圍： • MGJ2D152005MPC-R7 接受 15 V 標稱輸入（13.5 V 至 16.5 V），并提供高度非對稱的 +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 標稱輸入電壓（10.8 V 至 13.2 V），并提供非對稱的 +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）。 除了詳細說明靜態和動態性能的預期列表和圖表外，該系列成員的通用規格書還列出了這些轉換器符合的許多行業標準和監管規定，以及用于確定這些因素的相關測試條件的全面細節。這不僅提高了產品的可信度，在具有嚴格合規性要求的應用中還能加速產品認證。 總結 為開關電源設計選擇合適的 MOSFET 或 IGBT 器件是設計過程中的一個重要步驟。此外，還要選擇相關的柵極驅動器，用于控制開關器件在開和關的狀態之間快速利落地翻轉。反過來，驅動器需要一個合適的 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，還能滿足這一功能所需的許多復雜的安全和監管規定。 |
