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格要求。有源 PFC 的缺點包括電路相對復雜；此外，有源元件的損耗也會影響效率。

實現(xiàn)有源PFC電路有不同的拓撲結(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。每種拓撲都包含不同數(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)該考慮每種拓撲的效率和額定功率，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，并使控制更加可預測和準確。短延遲匹配還降低了直通的風險并使設(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)?；ユi功能可以防止發(fā)生這種直通，導致兩個 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撲和組件，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。