隔离式栅极驱动器图文分析-KIA MOS管
IGBT/功率MOSFET是一种电压控制器件，用作电源电路和电机驱动器等系统中的开关元件。栅极是每个设备的电气隔离控制端子。 MOSFET的其他端子是源极和漏极，对于IGBT，它们被称为集电极和发射极。
为了工作MOSFET/IGBT，通常必须向栅极施加相对于器件源极/发射极的电压。专用驱动器用于向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。
为什么需要栅极驱动器
IGBT/功率MOSFET的结构使得栅极形成非线性电容器。对栅极电容充电会使功率器件导通并允许电流在其漏极和源极端子之间流动，而放电时，它会关闭器件，然后可能会在漏极和源极端子上阻塞大电压。
栅极电容充电且器件几乎可以导通时的最小电压是阈值电压（V千).对于将 IGBT/功率 MOSFET 用作开关，电压要大于 V千应应用于栅极和源极/发射极之间。
考虑一个带有微控制器的数字逻辑系统，该微控制器可以在其中一个I/O引脚上输出0 V至5 V的PWM信号。该PWM不足以完全打开电源系统中使用的功率器件，因为其过驱动电压通常超过标准CMOS/TTL逻辑电压。
因此，在逻辑/控制电路和高功率器件之间需要一个接口。这可以通过驱动逻辑电平n沟道MOSFET来实现，而逻辑电平n沟道MOSFET又可以驱动功率MOSFET，如图1a所示。
图1.采用反相逻辑驱动的功率 MOSFET。
如图 1a 所示，当 IO1发出低信号，VGSQ1< VTHQ1因此，MOSFET Q1仍然关闭。因此，在功率MOSFET Q的栅极处施加正电压2.Q的栅极电容2（CGQ2） 通过上拉电阻 R 充电1并将栅极电压拉至V的轨电压DD.给定 VDD> VTHQ2/ 22打开并可以传导。
当 IO1输出高电平，Q1打开和 CGQ2通过 Q 放电1.VDSQ1~ 0 V 使得 VGSQ2< VTHQ2因此，Q2关闭。此设置的一个问题是 R 中的功耗1在 Q 状态期间1.为了克服这个问题，pMOSFET Q3可用作上拉，以与Q互补的方式运行1，如图1b所示。
PMOS具有低导通电阻，并且在关断状态下具有非常高的电阻，因此大大降低了驱动电路中的功耗。为了控制栅极转换期间的边沿速率，在Q漏极之间外部增加了一个小电阻1和Q之门2.使用MOSFET的另一个优点是易于在芯片上制造它，而不是制造电阻器。
这种用于驱动电源开关栅极的独特接口可以以单片IC的形式创建，该IC接受逻辑电平电压并产生更高的功率输出。该栅极驱动器IC几乎总是具有额外的内部电路以实现更大的功能，但它主要用作功率放大器和电平转换器。
栅极驱动器的关键参数
驱动强度：
提供适当栅极电压的问题通过使用执行电平转换器工作的栅极驱动器来解决。但是，栅极电容器不能瞬时改变其电压。因此，功率FET或IGBT具有非零的有限开关间隔。
在开关过程中，器件可能处于高电流和高电压状态，从而导致热量形式的功耗。因此，从一种状态到另一种状态的转换需要快速，以最大限度地减少切换时间。为此，需要高瞬态电流来快速对栅极电容进行充电和放电。
图2.MOSFET 导通过渡，无需栅极驱动器
能够在较长时间内供应/吸收更高栅极电流的驱动器产生较短的开关时间，从而降低其驱动的晶体管内的开关功率损耗。
图3.MOSFET 通过栅极驱动器导通过渡。
微控制器I/O引脚的拉电流和灌电流额定值通常高达数十毫安，而栅极驱动器可以提供更高的电流。在图2中，当功率MOSFET由微控制器I/O引脚在其最大额定源电流下驱动时，观察到较长的开关间隔。
如图3所示，使用隔离式栅极驱动器ADuM4121可显著缩短转换时间，该驱动器提供比微控制器I/O引脚高得多的驱动电流，驱动相同功率的MOSFET。
在许多情况下，直接使用微控制器驱动更大功率的MOSFET/IGBT可能会过热并损坏控制，因为数字电路中可能存在电流过敏。具有更高驱动能力的栅极驱动器可实现快速开关，上升和下降时间为几纳秒。这降低了开关功率损耗，使系统更加高效。因此，驱动电流通常被认为是选择栅极驱动器的重要指标。
与驱动电流额定值对应的是漏源导通电阻（RDS（ON）） 的栅极驱动器。虽然理想情况下 RDS（ON）MOSFET 在完全导通时的值应为零，由于其物理结构，它通常在几欧姆的范围内。这考虑了从漏极到源极的电流路径中的总串联电阻。
RDS（ON）是栅极驱动器最大驱动强度额定值的真正基础，因为它限制了驱动器可以提供的栅极电流。RDS（ON）的内部开关决定灌电流和拉电流，但外部串联电阻用于降低驱动电流，从而影响边沿速率。
如图4所示，高端导通电阻和外部串联电阻R内线在充电路径中形成栅极电阻，低侧导通电阻与R内线在放电路径中形成栅极电阻。
图4.具有MOSFET输出级和功率器件作为电容器的栅极驱动器的RC电路模型。
RDS（ON）还直接影响驱动器内部的功耗。对于特定的驱动电流，较低的值为RDS（ON）允许更高的R内线要使用的。由于功耗分布在R之间内线和 RDS（ON），R 的值越高 内线意味着更多的功率耗散在驱动器外部。因此，为了提高系统效率并放宽驱动器内的任何热调节要求，较低的R值DS（ON）对于给定的芯片面积和IC尺寸，是优选的。
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