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技術(shù)專(zhuān)題
如何選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC
如何選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC
如今，無(wú)論晶體管集成到CPU中還是作為分立組件提供，晶體管都有各種形狀和尺寸。任何晶體管都需要一些電流才能在ON和OFF狀態(tài)之間切換，從而使電流流過(guò)器件。更大的晶體管，無(wú)論在物理上還是在電流輸出方面，都需要更多的功率來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)。該電源可以由柵極驅(qū)動(dòng)器IC提供，后者專(zhuān)門(mén)用于在控制器和功率晶體管之間提供緩沖器。
并非所有應(yīng)用都需要柵極驅(qū)動(dòng)器IC。高頻應(yīng)用可以在收發(fā)器或其他RF組件內(nèi)部包括優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)器電路，以提供用于切換晶體管放大器（包括RF功率放大器）所需的功率。這些組件是電源系統(tǒng)的組成部分，因?yàn)樗鼈冊(cè)谔峁┧栝_(kāi)關(guān)功率的同時(shí)還保護(hù)了其他關(guān)鍵組件。這些組件的工作原理以及如何選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC的方法如下。
為什么要使用柵極驅(qū)動(dòng)器IC？
如上所述，柵極驅(qū)動(dòng)器IC向高功率晶體管（例如IGBT或MOSFET）提供高電流，以便將其完全驅(qū)動(dòng)到導(dǎo)通狀態(tài)。這些組件從另一個(gè)組件（例如MCU或其他控制器IC）接收低功率輸入。這樣，柵極驅(qū)動(dòng)器IC就像MCU和晶體管之間的緩沖器一樣。信號(hào)鏈中柵極驅(qū)動(dòng)器IC的典型配置如下所示。
柵極驅(qū)動(dòng)器IC的信號(hào)鏈
盡管柵極驅(qū)動(dòng)器的基本目的是充當(dāng)驅(qū)動(dòng)大型晶體管的放大器，但更深層的原因是柵極驅(qū)動(dòng)器IC用于開(kāi)關(guān)。使用專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)器IC的主要目標(biāo)是：
減少負(fù)載晶體管中的開(kāi)關(guān)損耗
減少負(fù)載晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間
完全驅(qū)動(dòng)晶體管進(jìn)入導(dǎo)通/非導(dǎo)通狀態(tài)
并非所有柵極驅(qū)動(dòng)器都提供的第三個(gè)目標(biāo)是在負(fù)載和控制器之間提供隔離。這是由柵極驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)小型內(nèi)部變壓器提供的。這些組件稱(chēng)為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。
所有晶體管都具有一定的非線性電容，即，它們的作用就像變?nèi)荻O管。當(dāng)切換負(fù)載晶體管時(shí)，一些電荷保留在柵極區(qū)域上，從而使溝道保持在其電流非導(dǎo)通或?qū)顟B(tài)。一旦施加另一個(gè)電流脈沖，如果開(kāi)關(guān)信號(hào)很慢或以低電流運(yùn)行，則晶體管中會(huì)產(chǎn)生高熱量。在較高電流下施加開(kāi)關(guān)信號(hào)可以在狀態(tài)之間進(jìn)行更快的切換，而損耗卻更少。
上面所示的配置以及對(duì)大功率晶體管的完整，快速調(diào)制的需求，使得柵極驅(qū)動(dòng)器IC在大功率負(fù)載需要完整切換和調(diào)制的任何應(yīng)用中都非常重要。如果我們要使用MCU進(jìn)行此操作，則從MCU汲取的大電流可能會(huì)導(dǎo)致其過(guò)熱并發(fā)生故障，因此需要柵極驅(qū)動(dòng)器。開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器，功率逆變器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路的三個(gè)典型應(yīng)用是。
DC-DC轉(zhuǎn)換
柵極驅(qū)動(dòng)器接收到來(lái)自控制器的輸入后，就會(huì)向單個(gè)晶體管或多個(gè)并聯(lián)晶體管輸出高電流。請(qǐng)注意，在具有高電流輸出的開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器中，晶體管的并聯(lián)布置是常見(jiàn)的，尤其是在IGBT或MOSFET中。當(dāng)大型晶體管陣列需要幾安培的電流才能完全切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，這種類(lèi)型的系統(tǒng)是必需的，這在高功率轉(zhuǎn)換器中很常見(jiàn)。
就信號(hào)鏈中的布局而言，柵極驅(qū)動(dòng)器將位于反饋環(huán)路內(nèi)，如下圖所示。MCU可用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制算法以提供穩(wěn)定的電壓輸出，也可用于響應(yīng)用戶(hù)輸入來(lái)更改輸出電壓。在需要轉(zhuǎn)換器提供高電流調(diào)節(jié)的情況下，可以在MCU / PWM驅(qū)動(dòng)器之前的反饋環(huán)路中使用電流檢測(cè)放大器，因?yàn)檫@會(huì)提供精確的電流測(cè)量值，以用于控制算法。
反饋環(huán)路中的柵極驅(qū)動(dòng)器IC，用于DC-DC轉(zhuǎn)換。
電力逆變器
這與DC-DC轉(zhuǎn)換有關(guān)，盡管我們現(xiàn)在正在連續(xù)切換以產(chǎn)生振蕩波形。在該應(yīng)用中需要隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器，以將直流電源和控制器與輸出側(cè)隔離。負(fù)載側(cè)使用反相邏輯，而柵極驅(qū)動(dòng)器則提供有低電流振蕩器波形。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
該原理應(yīng)用涉及以PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)的晶體管。在這種情況下，柵極驅(qū)動(dòng)器接收PWM信號(hào)并輸出PWM信號(hào)的放大的高電流版本。然后將其發(fā)送到晶體管陣列以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。示例包括驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和有刷電機(jī)。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器通常在此應(yīng)用中使用，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在MCU /控制器與輸出側(cè)的電動(dòng)機(jī)之間。
重要的柵極驅(qū)動(dòng)器規(guī)格
輸出電流是您需要研究的最重要的規(guī)格，應(yīng)將該規(guī)格與您的晶體管規(guī)格進(jìn)行比較。以下是選擇柵極驅(qū)動(dòng)器IC時(shí)應(yīng)檢查的一些其他重要規(guī)格：
柵極驅(qū)動(dòng)器的類(lèi)型。gae驅(qū)動(dòng)程序有四種類(lèi)型：
高側(cè)：用于驅(qū)動(dòng)功率晶體管，該功率晶體管連接到?jīng)]有接地參考連接的正電源軌。
低端：用于驅(qū)動(dòng)無(wú)參考連接而連接到負(fù)電源軌的晶體管。
半橋：這些組件包含低端和高端驅(qū)動(dòng)器電路，使其更加靈活。
三相：這些柵極驅(qū)動(dòng)器用于三相系統(tǒng)。
上升和下降時(shí)間。這對(duì)于減少開(kāi)關(guān)損耗很重要。特別是，以更快的上升/下降時(shí)間進(jìn)行開(kāi)關(guān)將確保晶體管中的開(kāi)關(guān)損耗更低。
最大限度。頻率。這在以上三個(gè)應(yīng)用程序中都很重要。
溫度額定值。由于這些組件以高功率運(yùn)行，因此它們可能需要散熱器進(jìn)行冷卻。
安森美半導(dǎo)體的FAN73912MX柵極驅(qū)動(dòng)器IC是可以以半橋配置連接的高功率組件的一個(gè)示例。下圖所示的應(yīng)用電路說(shuō)明了高功率柵極驅(qū)動(dòng)器如何與高壓系統(tǒng)中的控制器集成在一起。
FAN73912MX柵極驅(qū)動(dòng)器IC應(yīng)用電路。