碳化硅和氮化鎵開關(guān)器件是所有電源電路中主要使用的元件。盡管它們在運(yùn)行速度、高電壓、處理電流和低功耗等固有特性方面取得了優(yōu)異的成績，但設(shè)計人員將所有注意力都集中在此類設(shè)備上，而常常忘記將自己的精力投入到相關(guān)的驅(qū)動器上。
什么是柵極驅(qū)動器?
一個好的電源電路不僅由 SiC 和 GaN MOSFET 等靜態(tài)器件組成。還有柵極驅(qū)動器，它是一個位于電子開關(guān)之前的獨(dú)立元件，可確保以最佳方式驅(qū)動它們的正確能量。事實(shí)上，將方波或矩形波直接發(fā)送到元件的柵極端子是不夠的。另一方面，驅(qū)動信號必須適當(dāng)定時以發(fā)送正確的電位，以確保振蕩適合各種組件，盡可能減少寄生元件并消除功率損耗。因此，設(shè)計人員必須從最終負(fù)載的角度來執(zhí)行與電路相關(guān)的項(xiàng)目，同時分析和創(chuàng)建能夠以最佳方式驅(qū)動功率元件的優(yōu)秀柵極驅(qū)動器。
非最佳驅(qū)動器不僅會導(dǎo)致顯著的功率損耗，而且不完美的同步通常會導(dǎo)致電路異常運(yùn)行，并可能損壞 MOSFET。它們是壓控器件，柵極是它們的控制端，與器件電隔離。必須通過專門的驅(qū)動器向該端子施加電壓才能使MOSFET工作。
出于所有意圖和目的，MOSFET 的柵極端子是一個非線性電容器。在柵極電容器上施加電荷會使器件進(jìn)入“開啟”狀態(tài)，從而允許電流在漏極和源極端子之間流動。相反，該電容器的放電使其處于“關(guān)閉”狀態(tài)。為了使 MOSFET 工作，必須在柵極和源極之間施加高于閾值電壓 (VTH) 的電壓，這是電容器充電的最小電壓，MOSFET 進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。通常，數(shù)字系統(tǒng)(微控制器或 MCU)不足以激活設(shè)備，因此在控制邏輯和電源開關(guān)之間總是需要一個接口，即驅(qū)動程序。
柵極驅(qū)動器執(zhí)行的主要功能之一是電平轉(zhuǎn)換器。但是，柵極電容不能瞬間充電;它需要一段時間才能充滿電。在這段時間內(nèi)，盡管時間很短，但該設(shè)備以高電流和電壓工作，以熱量的形式消耗高功率。不幸的是，這種能量沒有被使用并且構(gòu)成功率損失。因此，從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必須非常快，以最大限度地縮短開關(guān)時間，并且為了縮短此時間，有必要促進(jìn)高電流瞬態(tài)以快速為柵極電容器充電。涉及用作電子開關(guān)的 SiC MOSFET 的響應(yīng)，并顯示了瞬態(tài)期間各個節(jié)點(diǎn)上最重要的信號，特別是：
· 頂部的“V(脈沖)”信號代表為系統(tǒng)供電的 PWM 波。它是一個理想的矩形信號，頻率為 100 kHz。這是一個完美的信號。
· “V(柵極)”信號代表柵極端子上的實(shí)際信號。正如你所看到的，它的趨勢是不規(guī)則的，因?yàn)闁艠O電容不是線性的，它的電壓會在幾分鐘后達(dá)到最大水平，這是電容器充電到最大容量所需的時間。該間隔由時間常數(shù) RC 決定，在這種情況下約為 150 ns。
· “I(負(fù)載)”信號代表流過負(fù)載和漏極端子的電流。最初，當(dāng) MOSFET 打開時它為低電平，然后在 MOSFET 關(guān)閉時達(dá)到最大電平。這個序列無限重復(fù)。請注意，切換不是立即和瞬時的，而是遵循柵極電壓的切換。
· “V(漏極)”信號顯示了V GS電壓的趨勢，顯然，它與電流反相，始終跟隨柵極電容器的充電速度。
· 顯示了 MOSFET 消耗的功率 ( V DS × I D )，并且與驅(qū)動信號的上升沿和下降沿相對應(yīng)，它呈現(xiàn)出高有害峰值。這就是功率損耗，這是柵極驅(qū)動器必須盡可能減少的一個因素。
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