碳化硅和氮化鎵開關(guān)器件是電源電路中的主要元件。雖然這些器件在運行速度、高電壓、處理電流和低功耗等固有特性方面表現(xiàn)出更高的性能，但設(shè)計人員往往只關(guān)注這些器件，而經(jīng)常忽略相關(guān)的驅(qū)動器。
柵極驅(qū)動器的作用
有效的電源電路不僅僅由 SiC 和 GaN MOSFET 等固定組件組成。柵極驅(qū)動器是一個獨立組件，位于電子開關(guān)之前，可確保最佳能量傳輸以有效驅(qū)動它們。僅僅將方波或矩形波直接傳輸?shù)浇M件的柵極端子是不夠的。然而，必須適當(dāng)?shù)匕才膨?qū)動信號以提供正確的電位，從而確保振蕩對不同組件而言是最佳的。這有助于最大限度地減少寄生元件并盡可能地減輕功率損耗。因此，設(shè)計人員必須根據(jù)電路執(zhí)行項目，并考慮終端負載。這涉及研究和開發(fā)能夠有效驅(qū)動功率組件的高質(zhì)量柵極驅(qū)動器。
驅(qū)動器效率低下不僅會導(dǎo)致大量功率損耗，還經(jīng)常導(dǎo)致同步不當(dāng)，從而導(dǎo)致電路運行異常，甚至導(dǎo)致 MOSFET 損壞。這些器件由電壓控制，其柵極用作控制端子，與器件電氣隔離。要激活 MOSFET，必須由特定驅(qū)動器向此端子施加電壓。
MOSFET 的柵極端子可視為非線性電容器。通過向柵極電容器施加電荷，該器件被激活并允許電流在漏極和源極端子之間通過。相反，該電容器的放電將其轉(zhuǎn)換為“關(guān)閉”狀態(tài)。為了激活 MOSFET，需要在柵極和源極端子之間提供大于閾值電壓 (VTH) 的電壓。該值是給電容器充電并允許 MOSFET 導(dǎo)通所需的最小值。通常，諸如微控制器 (MCU) 之類的數(shù)字系統(tǒng)不夠強大，無法直接激活該器件。因此，始終需要一個接口(即驅(qū)動器)來將控制邏輯與電源開關(guān)連接起來。
柵極驅(qū)動器主要用作電平轉(zhuǎn)換器。然而，柵極電容器不具備瞬間充電的能力;它需要一定的時間才能達到最大充電量。在此短暫時間內(nèi)，設(shè)備以較大的電流和電壓運行，從而產(chǎn)生大量以熱量形式存在的電能。遺憾的是，這些能量仍未得到利用，這代表著電力的耗盡。為了最大限度地縮短切換時間并允許柵極電容器快速充電，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必須非常迅速，這需要較大的電流瞬變。下面描述了碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 作為電子開關(guān)時的行為。它說明了瞬態(tài)事件期間不同點的關(guān)鍵信號。
· 頂部的“V(脈沖)”信號表示為系統(tǒng)供電的 PWM 波。這是一個理想的矩形信號，頻率在本例中為 100 kHz。這是一個完美的信號。
· “V(柵極)”信號表示柵極端子上的實際信號。如您所見，其趨勢是不規(guī)則的，因為柵極電容不是線性的，其電壓在幾分鐘后達到最大值，這是電容器充電至最大容量所需的時間。該間隔由時間常數(shù) RC 決定，在本例中約為 150 ns。
· “I(負載)”信號表示流過負載和漏極端子的電流。最初，當(dāng) MOSFET 開啟時，該信號為低電平，然后當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時，該信號達到最大電平。此序列無限重復(fù)。請注意，切換不是立即且瞬時的，而是遵循柵極電壓的切換。
· “V(漏極)”信號顯示的是VGS電壓的變化趨勢，顯然，它與電流呈反相，并且始終跟隨柵極電容的充電速度。
· 最后顯示了 MOSFET 的功耗(VDS × ID)，與驅(qū)動信號的上升沿和下降沿相對應(yīng)，它呈現(xiàn)出較高的有害峰值。這就是功率損失，這是柵極驅(qū)動器必須盡可能降低的一個因素。
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