柵極驅(qū)動器在 PFC 設(shè)計中的作用

還記得今年早些時候關(guān)于功率因數(shù)校正（PFC）和啤酒的有趣類比的文章嗎？我認(rèn)為它是輝煌的！在那種情況下，玻璃杯中的啤酒代表電子設(shè)備實際需要的“實際功率”，頂部的泡沫代表“無功功率”，整杯啤酒加上泡沫代表“視在功率”。今天，我接受挑戰(zhàn)，提出一個相關(guān)的類比來解釋柵極驅(qū)動器在 PFC 設(shè)計中的作用。

我們先簡單說一下不同類型的PFC電路。一般來說，PFC 電路要么是無源的，要么是有源的。要創(chuàng)建無源 PFC 電路，我們需要添加電容器和電感器等無源元件以增加電流導(dǎo)通角并平滑脈沖，這有助于減少電流的諧波失真。這種方法簡單可靠，但是當(dāng)功率水平很高時，無源元件的尺寸和成本就成為一個大問題。無源 PFC 設(shè)計也只能實現(xiàn)高達 0.9 的功率因數(shù) (PF)，并受頻率、負(fù)載變化和輸入電壓的影響。

有源 PFC 使用 DC/DC 電路，其中包含 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或其他有源組件，以強制電流在形狀和相位上跟隨電壓。與無源 PFC 相比，有源 PFC 可以實現(xiàn)更高的 PF，并且對輸入電壓沒有嚴(yán)格要求。有源 PFC 的缺點包括電路相對復(fù)雜；此外，有源元件的損耗也會影響效率。

實現(xiàn)有源PFC電路有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如升壓PFC（也稱為傳統(tǒng)PFC）、雙升壓無橋PFC和圖騰柱無橋PFC。每種拓?fù)涠及煌瑪?shù)量的有源組件，并且各有優(yōu)缺點。在設(shè)計 PFC 時，我們應(yīng)該考慮每種拓?fù)涞男屎皖~定功率，然后確定使用哪種類型的控制器。然而，許多設(shè)計人員忽略的一個部分是連接到控制器以切換 FET 的柵極驅(qū)動器。柵極驅(qū)動器似乎太常見而無法打擾，但它們在系統(tǒng)性能中發(fā)揮著重要作用。

柵極驅(qū)動器本質(zhì)上是一個放大器，可將邏輯信號提升為高電流和高電壓信號，從而以最小的開關(guān)損耗快速打開和關(guān)閉 MOSFET 或 IGBT。做一個與啤酒相關(guān)的類比，功率開關(guān) MOSFET 或 IGBT 就像啤酒龍頭的手柄，柵極驅(qū)動器就像調(diào)酒師手中的肌肉，控制器是大腦。調(diào)酒師的技能和水龍頭把手的質(zhì)量都會影響你在玻璃杯中實際得到的啤酒量。

在 PFC 電路中，柵極驅(qū)動器在升壓級切換晶體管以調(diào)節(jié)電流并強制其與正弦波電壓同相。那么柵極驅(qū)動器是如何影響 PFC 電路性能的呢？幾個參數(shù)和功能起著至關(guān)重要的作用：

· 驅(qū)動電流。盡管并非每個應(yīng)用都需要強電流驅(qū)動（考慮到由大瞬態(tài)引起的潛在電磁干擾 (EMI) 問題），但更高功率的應(yīng)用將需要更強的電流驅(qū)動來同時驅(qū)動多個 FET。因此，高驅(qū)動電流為廣泛的電源應(yīng)用提供了靈活性。

· 開關(guān)特性。這些包括傳播延遲、延遲匹配和信號上升和下降時間。開關(guān)時序?qū)O大地影響電源開關(guān)的速度，并使控制更加可預(yù)測和準(zhǔn)確。短延遲匹配還降低了直通的風(fēng)險并使設(shè)計挑戰(zhàn)變得更容易。

· 互鎖功能。擊穿保護（也稱為互鎖功能）在某些使用半橋或全橋電路的應(yīng)用中至關(guān)重要。在圖騰柱 PFC 中，兩個電源開關(guān)（一個高側(cè) FET 和一個低側(cè) FET）交替打開和關(guān)閉。如果兩個開關(guān)同時打開，電流將流過兩個 FET，并可能損壞系統(tǒng)。互鎖功能可以防止發(fā)生這種直通，導(dǎo)致兩個 FET 在其中一個打開之前關(guān)閉一小段時間。  

 該設(shè)計使用兩個硅 MOSFET 和兩個氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT)，以最大限度地減少傳導(dǎo)損耗。需要兩個驅(qū)動器：一個用于驅(qū)動常規(guī)硅 MOSFET 的半橋驅(qū)動器和一個用于驅(qū)動 GaN 晶體管的半橋驅(qū)動器。TI 的 600V LMG3410 GaN 功率級將橋驅(qū)動器和 GaN 晶體管集成到一個封裝中，這進一步降低了功率損耗并改善了 EMI。為了驅(qū)動硅 FET，具有互鎖功能的橋式驅(qū)動器提高了設(shè)計可靠性。

隨著更多國家/地區(qū)的法規(guī)強制要求提高效率，PFC 將越來越多地用于各種應(yīng)用。明智地選擇我們的拓?fù)浜徒M件，以便我們的 PFC 能夠高效工作并滿足我們的需求。并且不要忘記柵極驅(qū)動器——肌肉。

柵極驅(qū)動器的重要性現(xiàn)在應(yīng)該很清楚了，但大腦在 PFC 設(shè)計中扮演著更重要的角色。