閘級驅動器

(重定向自閘極驅動電路

閘級驅動器(gate driver)是一種功率放大器,可以讓控制集成电路產生的小功率訊號來驅動功率晶體(例如IGBT或是功率級MOSFET英语power MOSFE)的閘極。閘級驅動器可能是附在功率晶體上,也有可能是獨立的元件。閘級驅動器會包括位準轉換器以及放大器電路

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MOSFET和双极性晶体管不同,MOSFET在沒有切換(切換導通或是切換關斷)時,不需要固定的功率輸入。MOSFET的隔離閘極會形成电容器閘極电容),在每一次切換導通或關閉時,會需要充電或放電。電晶體的基極至少需要特定的電壓才能導通,同様的,閘極电容需要一定的電壓才能充電,讓晶體導通。同樣的,若要關斷晶體,也需要釋放電容器上的電荷,因此閘極电容也需要放電。

在功率晶體導通或是關斷,不會立刻就切換到完全導通或是完全不導通的狀態,切換過程中可能會有短暫時間通過大電流,且功率晶體上有較大的電壓。因此在切換時會使晶體發熱,若控制不當,甚至會破壞功率晶體。因此有需要使切換時間越短越好,以降低其切換損失。一般的切換時間約在微秒等級。晶體的切換時間和驅動閘極需要的電流成反比。因此切換電流一般會要求在數百mA的等級,甚至會到數安培的大小,因為一般的閘極電壓會在10-15V之間,切換時會需要消耗數瓦特的功率。假如需要高速的切換大電流,例如直流-直流轉換器或是大型的电动机,會將數個功率晶體並聯,以提供夠大的切換電流及功換功率。

功率晶體的切換信號一般是由邏輯電路或是单片机提供,其輸出信號的電流一般會限制在數毫安。若功率晶體直接以此信號驅動,其切換速度會非常的慢,而且產生的切換損失很大。在切換時,閘極電容會快速的抽電流,可能會從邏輯電路或是单片机抽取過多的電流,造成元件的永久損壞。為了避免此一情形,會在邏輯電路及单片机輸出電路和功率晶體之間加上閘級驅動器。

H桥的高電壓端驅動器會使用電荷泵作為閘級驅動器,以切換高電壓端n-channel的功率MOSFET英语power MOSFET絕緣柵雙極晶體管。使用這類元件的原因是其性能良好,但是需要比電源軌電壓小一些的閘級電壓。若半橋的中心點電壓降低時,電容可以透過二極體充電,電荷會在稍晚時間驅動高電壓端的FET閘極,使其電壓略高於電源軌電壓,使此導通。此法可以讓橋式電路定期切換,也避免了隔離的電源供應器,也,可以在高電壓端及低電壓端都使用效率較好的n-channel元件。

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