什么是柵極驅動器？柵極驅動器的應用及原理

更新時間：2024-07-09

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什么是柵極驅動器？

柵極驅動器是向電壓驅動型MOSFET或IGBT的柵端子施加電壓來控制驅動的電路。

目前，通用的柵極驅動器是驅動和控制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。最近，柵極驅動器外圍電路元件本身也不斷發展。

種類和組合有很多種，但實用的是學習使用MOSFET的柵極電壓驅動控制電路。

柵極驅動器用于通過僅由 MOSFET 和柵極電阻組成的簡單驅動電路來驅動功率晶體管。

柵極驅動器的優點是零件數量少。缺點是開關速度和損耗隨電阻值變化很大，很難設定合適的電阻值。另外，作為改善該電阻值調整問題的電路，還用于使用二極管分別驅動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問題。目前，這是柵極驅動器常用的應用。

柵極驅動器由晶體管推挽電路組成。

推挽電路是通過交替操作兩個晶體管來執行開關或放大的電路。推挽電路有兩種類型：“射極跟隨器型"和“發射極接地型"，但基本上經常是后者。

柵極驅動器由充當中層管理器角色的電路組成，在晶體管站點執行大量工作的強大功率元件和充當公司大腦和總裁并發出控制命令的微型計算機之間進行調解。政策。

功率 MOSFET和IGBT是可流過大電流的功率器件的示例。在大多數情況下，直接驅動這些設備的電壓和電流不足以由普通微控制器輸出。

因此，為了驅動功率元件和微控制器，它們之間需要一個柵極驅動器。

超高速柵極驅動器是專門用于高速開關的柵極驅動器。

其中，所謂的超高速器件一般具有幾十皮秒或更短的開關速度。 Pico 是 10 的負 12 次方，因此它的切換速度小于 1/1 秒的負 12 次方（1 萬億）。

這可以說是由于最近半導體器件的技術創新而發生的演變。

以下是已投入實際應用的超高速器件柵極驅動器。

第一種類型是使用常用半導體硅的晶體管，有雙極型和 MOS 型。雙極型能夠在數十皮秒內進行高速開關。 MOS型雖然有動作延遲，但適合高密度電路集成。

第二種是化合物半導體型晶體管。 MESFET是肖特基柵型場效應晶體管，HBT是異質雙極晶體管，HEMT是高遷移率場效應晶體管。使用的半導體是砷化鎵化合物。該元件是當今超高速器件之一，可以執行幾皮秒的開關操作，使其成為最快的半導體。

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，它利用兩種超導體之間的隧道效應。它的開關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，由于需要極低的運行溫度等條件，其實際應用仍存在挑戰。

SiC柵極驅動器是當今電力電子領域備受關注的半導體器件，因其優異的耐壓性和更高的開關速度。這是指由一種叫做碳化硅（俗稱SiC）的半導體制成的柵極驅動器，其使用已成為業界的趨勢。

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題的開關性能，并在實現高擊穿場強和載流子漂移速度 Ta 的同時改善散熱。

然而，SiC 面臨著解決各種 SiC 成分配置中的電壓差異的挑戰。

目前，我們希望與柵極驅動器一起運行的主要器件是電壓驅動器件，例如 MOSFET 和 IGBT。柵極驅動器不需要持續流過電流，但由于開關操作期間會流過短期脈沖電流，因此必須特別注意柵極驅動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，其特性在數十 V 的高電壓下表現出來，因此盡可能選擇與電壓范圍和應用相匹配的柵極驅動器偏置特性更為安全。

IGBT 的特點是工作電壓高，如果超過最大額定值，則可能會瞬間損壞。因此，與單個IGBT（分立式）相比，將柵極驅動IC、保護電路等與單個IGBT結合在一起的IGBT模塊更易于使用，目前已被市場廣泛接受。

柵極驅動器技術開發的未來趨勢不僅包括旨在實現更小尺寸和更高性能的易于使用的產品，還包括 D 類放大器和電機驅動器等專用 IC。這些柵極驅動器很可能與前面提到的 SiC 半導體和 GaN 器件的柵極驅動器分開。