施加電壓控制驅(qū)動(dòng)的電路——柵極驅(qū)動(dòng)器

時(shí)間：2024/7/3閱讀：398

什么是柵極驅(qū)動(dòng)器？

柵極驅(qū)動(dòng)器是向電壓驅(qū)動(dòng)型MOSFET或IGBT的柵端子施加電壓來(lái)控制驅(qū)動(dòng)的電路。

目前，常用的柵極驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)和控制MOSFET柵極的電路，但也有使用電阻器、二極管和雙極晶體管等晶體管的模擬電路技術(shù)。最近，柵極驅(qū)動(dòng)器外圍電路元件本身也不斷發(fā)展。

種類和組合有很多種，但實(shí)用的是學(xué)習(xí)使用MOSFET的柵極電壓驅(qū)動(dòng)控制電路。

柵極驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用

柵極驅(qū)動(dòng)器用于通過(guò)僅由 MOSFET 和柵極電阻組成的簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率晶體管。

柵極驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是零件數(shù)量少。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度和損耗隨電阻值變化很大，很難設(shè)定合適的電阻值。另外，作為改善該電阻值調(diào)整問(wèn)題的電路，還用于使用二極管分別驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極ON/OFF的電路中。

由于二極管電壓仍然存在，因此它不會(huì)為零，但連接上下 MOSFET 的 Pch 和 Nch 的稱為推挽的電路解決了這個(gè)問(wèn)題。目前，這是柵極驅(qū)動(dòng)器常用的應(yīng)用。

柵極驅(qū)動(dòng)原理

柵極驅(qū)動(dòng)器由晶體管推挽電路組成。

推挽電路是通過(guò)交替操作兩個(gè)晶體管來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)或放大的電路。推挽電路有兩種類型：“射極跟隨器型"和“發(fā)射極接地型"，但基本上經(jīng)常是后者。

柵極驅(qū)動(dòng)器由充當(dāng)中層管理器角色的電路組成，在晶體管站點(diǎn)執(zhí)行大量工作的強(qiáng)大功率元件和充當(dāng)公司大腦和總裁并發(fā)出控制命令的微型計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行調(diào)解。政策。

功率 MOSFET和IGBT是可流過(guò)大電流的功率器件的示例。在大多數(shù)情況下，直接驅(qū)動(dòng)這些設(shè)備的電壓和電流不足以由普通微控制器輸出。

因此，為了驅(qū)動(dòng)功率元件和微控制器，它們之間需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器。

有關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器的其他信息

1. 什么是超高速柵極驅(qū)動(dòng)器？

超高速柵極驅(qū)動(dòng)器是專門用于高速開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器。

其中，所謂的超高速器件一般具有幾十皮秒或更短的開(kāi)關(guān)速度。 Pico 是 10 的負(fù) 12 次方，因此它的切換速度小于 1/1 秒的負(fù) 12 次方（1 萬(wàn)億）。

這可以說(shuō)是由于最近半導(dǎo)體器件的技術(shù)創(chuàng)新而發(fā)生的演變。

2.超高速柵極驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用

以下是已投入實(shí)際應(yīng)用的超高速器件柵極驅(qū)動(dòng)器。

第一種類型是使用常用半導(dǎo)體硅的晶體管，有雙極型和 MOS 型。雙極型能夠在數(shù)十皮秒內(nèi)進(jìn)行高速開(kāi)關(guān)。 MOS型雖然有動(dòng)作延遲，但適合高密度電路集成。

第二種是化合物半導(dǎo)體型晶體管。 MESFET是肖特基柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，HBT是異質(zhì)雙極晶體管，HEMT是高遷移率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。使用的半導(dǎo)體是砷化鎵化合物。該元件能夠進(jìn)行幾皮秒的切換操作，并與當(dāng)今的超高速兼容，使其成為最快的半導(dǎo)體。

第三種方法仍處于研究階段，是一種稱為約瑟夫森裝置的裝置，它利用兩種超導(dǎo)體之間的隧道效應(yīng)。它的開(kāi)關(guān)速度是所推出的第二種元件的一半，并使用鈮等金屬材料。然而，由于需要極低的運(yùn)行溫度等條件，其實(shí)際應(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)。

3.SiC柵極驅(qū)動(dòng)器

SiC柵極驅(qū)動(dòng)器是當(dāng)今電力電子領(lǐng)域備受關(guān)注的半導(dǎo)體器件，因其優(yōu)異的耐壓性和更高的開(kāi)關(guān)速度。這是指由一種叫做碳化硅（俗稱SiC）的半導(dǎo)體制成的柵極驅(qū)動(dòng)器，其使用已成為業(yè)界的趨勢(shì)。

特別是，使用 SiC 的 MOSFET 有助于極大地提高大功率逆變器中存在的問(wèn)題的開(kāi)關(guān)性能，并在實(shí)現(xiàn)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和載流子漂移速度 Ta 的同時(shí)改善散熱。

然而，SiC 面臨著解決各種 SiC 成分配置中的電壓差異的挑戰(zhàn)。

4. 目前主要的柵極驅(qū)動(dòng)器件

目前，我們希望與柵極驅(qū)動(dòng)器一起運(yùn)行的主要器件是電壓驅(qū)動(dòng)器件，例如 MOSFET 和 IGBT。柵極驅(qū)動(dòng)器不需要持續(xù)流過(guò)電流，但由于開(kāi)關(guān)操作期間會(huì)流過(guò)短期脈沖電流，因此必須特別注意柵極驅(qū)動(dòng)器作為功率器件的額定電流和電壓值。

特別是，就 IGBT 而言，與 MOSFET 相比，其特性在數(shù)十 V 的高電壓下表現(xiàn)出來(lái)，因此盡可能選擇與電壓范圍和應(yīng)用相匹配的柵極驅(qū)動(dòng)器偏置特性更為安全。

5、模塊化及未來(lái)趨勢(shì)

IGBT 的特點(diǎn)是工作電壓高，如果超過(guò)最大額定值，則可能會(huì)瞬間損壞。因此，與單個(gè)IGBT（分立式）相比，將柵極驅(qū)動(dòng)IC、保護(hù)電路等與單個(gè)IGBT結(jié)合在一起的IGBT模塊更易于使用，目前已被市場(chǎng)廣泛接受。

柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)開(kāi)發(fā)的未來(lái)趨勢(shì)不僅包括旨在實(shí)現(xiàn)更小尺寸和更高性能的易于使用的產(chǎn)品，還包括 D 類放大器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等專用 IC。這些柵極驅(qū)動(dòng)器很可能與前面提到的 SiC 半導(dǎo)體和 GaN 器件的柵極驅(qū)動(dòng)器分開(kāi)