隔离式栅极驱动器的介绍和选型指南（隔离式栅极驱动器的介绍和选型指南图片）

该设计指南由三部分组成，介绍了如何为电力电子应用中的功率开关器件选择合适的隔离式栅极驱动器，并提供实践经验。本文为第一部分，主要包括隔离栅极驱动器的介绍和选型指南。

隔离式栅极驱动器专为满足SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）等技术所需的最高开关速度和系统尺寸限制而设计，以提供MOSFET 的可靠控制。电力电子行业的许多设计人员都拥有丰富的经验，并且是多种电力电子应用中Si MOSFET、SiC 和GaN MOSFET 的专家用户。系统制造商对提高其设计的能源效率越来越感兴趣。要取得市场领先地位，高能效和低成本的结合至关重要。从半导体材料的角度来看，该领域已经取得了长足的进步，现在已经有了能够高速开关的产品，从而在减小尺寸的同时提高了系统级效率。

什么是栅极驱动器——，为什么使用它以及如何使用它？

功率MOSFET 是电压控制器件，用作电源电路、电机驱动器和其他系统中的开关元件。栅极是各器件电隔离的控制端。 MOSFET 的其他端子是源极和漏极。

为了操作MOSFET，通常必须向栅极（而不是源极或发射极）施加电压。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。

栅极驱动器用于打开和关闭功率器件。为此，栅极驱动器将功率器件的栅极充电至最终导通电压VGS(ON)，或者驱动器电路将栅极放电至最终关断电压VGS(OFF)。为了实现两个栅极电压电平之间的转换，栅极驱动器、栅极电阻器和功率器件之间的环路中会消耗一些功率。

如今，中低功率应用的高频转换器主要使用MOSFET 等栅极电压控制器件。

对于高功率应用，目前使用的最佳器件是碳化硅(SiC) MOSFET，它需要更高的驱动电流来快速打开/关闭这些电源开关。栅极驱动器不仅适用于MOSFET，还适用于目前只有少数人了解的宽带隙新器件，例如碳化硅(SiC) FET 和氮化镓(GaN) FET。

它是一种功率放大器，接受来自控制器IC的功率输入并产生适当大的电流来驱动功率开关器件的栅极。

下面简单总结一下使用栅极驱动器的原因：

栅极驱动电阻栅极驱动器的功能是打开和关闭功率器件（通常非常快）以减少损耗。为了避免由米勒效应或某些负载下的缓慢开关引起的跨导损耗，驱动器必须以比相对晶体管上的导通状态驱动器更低的阻抗建立截止状态。负栅极驱动裕度在减少这些损耗方面发挥着重要作用。

源极电感这是栅极驱动器电流环路和输出电流环路共享的电感。负栅极驱动电压裕度与源极引线电感相结合，对负载下输出的开关速度有直接影响，这就是源极电感的源极退化效应（源极引线电感将输出开关电流耦合回栅极驱动，从而减慢栅极驱动速度）。

栅极驱动器在功率MOSFET 的栅极(G) 和源极(S) 之间施加电压信号(V GS )，同时提供高电流脉冲，如图1 所示。

使CGS、CGD能够快速充放电以及快速开关功率MOSFET

图1. 栅极驱动电流路径

为什么要使用电流隔离？

高功率应用需要电流隔离，以防止触发危险的接地环路，这可能会产生噪声并导致两个电路的接地电位不同，从而危及系统的安全。此类系统中的电流可能对人类致命，因此必须确保最高级别的安全。电气或电流隔离是一种在不同电位的两点之间不发生直流循环的状态。

更准确地说，在电流隔离中，载流子不能从一点移动到另一点，但电能（或信号）仍然可以通过其他物理现象（例如电磁感应、电容耦合或光）进行交换。这种情况相当于两点之间有无穷大的电阻；实际上，大约100 M 的电阻就足够了。如果损坏仅限于电子元件，则可能不需要安全隔离，但如果控制侧涉及人类活动，则需要在高功率侧和低压控制电路之间进行电流隔离。它可以防止高压侧发生任何故障，因为即使组件损坏或发生故障，隔离屏障也会阻止用户获得电力。为了防止触电风险，隔离是监管机构和安全认证机构的强制要求。以下总结了许多电源应用中使用电流隔离的原因和方法。

防范并安全承受高压浪涌，避免损坏设备或危及人员安全。保护昂贵的控制器- 智能系统可承受高能量或长距离电路中的大电位差和破坏性接地环路，与高压高性能解决方案中的高侧组件进行可靠通信

图2. 非隔离与隔离

隔离栅极驱动器选择指南

以下是如何选择隔离式栅极驱动器。例如，对于工作电压较低的系统，只要控制器的耐压在允许的范围内，开关器件就可以直接连接到控制器上。然而，栅极驱动器是大多数电源转换器中的常见组件。由于控制电路工作在低电压下，控制器无法提供足够的功率来快速安全地打开或关闭电源开关。因此，来自控制器的信号被发送到栅极驱动器，栅极驱动器能够处理更高的功率，并可以根据需要驱动MOSFET 的栅极。在高功率或高电压应用中，电路中的组件会受到大电压偏移和高电流的影响。如果电流从功率MOSFET泄漏到控制电路，功率转换电路中的高电压和电流很容易烧坏晶体管，导致控制电路严重崩溃。此外，高功率应用必须在输入和输出之间进行电流隔离，以保护用户和任何其他设备。

栅极驱动电压范围

转换器的工作电压取决于开关元件（例如Si MOSFET或SiC MOSFET）的规格。必须确认转换器输出电压不超过开关元件栅极电压的最大值。

栅极驱动器的正电压应足够高，以确保栅极完全导通。您还需要确保驱动电压不超过绝对最大栅极电压。 Si-MOSFET通常使用+12V的驱动电压，+15V通常用于驱动SiC，而GaN的栅极电压为+5V。 0V 栅极电压使所有器件处于关闭状态。一般来说，MOSFET 不需要负偏置栅极驱动，有时与SiC 和GaN MOSFET 一起使用。在开关应用中，强烈建议对SiC 和GaN MOSFET 使用负偏置栅极驱动，因为非理想PCB 布局引入的寄生电感可能会在高di/dt 和dv/dt 开关期间导致功率晶体管的栅源驱动。发生电压振铃。以下是每个开关器件适用的栅极驱动电压。

隔离能力

该能力由系统的工作电压决定。系统工作电压与隔离能力成正比。隔离栅极驱动器的关键参数之一是其隔离电压额定值。隔离额定值旨在防止意外电压瞬变损坏连接到电源的其他电路，因此拥有正确的隔离额定值是保护用户免受潜在有害电流放电影响的关键。此外，该额定值还可以保护转换器内的信号免受噪声或意外共模电压瞬变的干扰。隔离值通常用隔离层所能承受的电压大小来表示。在大多数隔离栅极驱动器数据表中，隔离电压以最大重复峰值隔离电压(V IORM )、工作隔离电压(V IOWM )、最大瞬态隔离电压(V IOTM )、最大浪涌隔离电压（等参数）来指定。列出了V IOSM ）和RMS 隔离电压（V ISO ）。系统工作电压越高，所需的转换器隔离度就越高。

**安森美半导体的隔离式栅极驱动器在MPS 测试仪（型号MSPS-20）上进行了生产测试**。

隔离电容

隔离电容是转换器输入侧和输出侧之间的寄生电容。根据以下公式，隔离电容与漏电流成正比。

其中：Ileak：漏电流，fS：工作频率，CISO：隔离电容。 V SYS：系统工作电压

功率损耗与漏电流成正比。如果系统需要在高工作频率和高电压下工作，我们需要更加注意转换器隔离电容的大小，以避免温升过高。

共模瞬态抗扰度(CMTI)

共模瞬态抗扰度(CMTI) 是与隔离式栅极驱动器相关的主要特性之一，特别是当系统在高开关频率下运行时。这一点很重要，因为高转换速率（高频）瞬态可能会破坏隔离栅上的数据传输。隔离屏障两端（即隔离接地层之间）的电容为这些快速瞬变穿过隔离屏障并破坏输出波形提供了路径。该特征参数通常以kV/uS表示。

如果CMTI 不够高，高功率噪声可能会耦合到隔离式栅极驱动器，形成电流环路并导致开关栅极出现电荷。如果该电荷足够大，可能会导致栅极驱动器将此噪声误解为驱动信号，并且这种击穿可能会导致严重的电路故障。

当前驾驶能力考虑因素

短时间内可拉出/吸收的栅极电流越高，栅极驱动器的开关时间越短，驱动晶体管内的开关功率损耗越低。

峰值拉电流和灌电流（ISOOURCE 和I SINK ）应高于平均电流（IG、AV ），如图3 所示。

图3. 电流驱动能力定义

对于每个驱动器额定电流，在所示时间内可切换的近似最大栅极电荷QG 可计算如下： 所需的驱动器额定电流取决于在多少个开关时间tSWON/OFF 期间栅极必须移动的量充电Q G 因为开关期间的平均栅极电流为I G 。

其中，tSW,ON/OFF表示MOSFET应该以多快的速度进行切换。如果未知，则从开关周期tSW 的2% 开始。

可以使用以下公式计算近似栅极驱动器峰值拉电流和灌电流。

开启时（拉电流）

关闭时（灌电流）

其中QG 是VGS=VCC 时的栅极电荷，tSW，ON/OFF=开关开启/关闭时间，1.5=凭经验确定的系数（受驱动器输入级和寄生组件的延迟影响）

栅极电阻注意事项

在确定栅极电阻大小时，请考虑降低寄生电感和电容引起的振铃电压。然而，它限制了栅极驱动器输出的电流能力。由导通和截止栅极电阻引起的限制电流能力值可以使用以下公式获得。

其中：ISOOURCE：峰值拉电流，ISINK：峰值灌电流，VOH：高电平输出压降，VOL：低电平输出压降

安森美半导体的隔离栅极驱动器

安森美半导体提供各种基于集成磁耦合无芯变压器的隔离式栅极驱动器，适用于开关速度非常高且存在系统尺寸限制的应用，并且能够可靠地控制Si MOSFET 和SiC FET。

我们提供经UL 1577、SGS FIMKO IEC 62368-1 和CQC GB 4943.1 认证的功能性和增强型隔离产品。我们的隔离式栅极驱动器可用于工业和汽车应用。

这些隔离式栅极驱动器集成了承受高CMTI 水平的功能，具有多个UVLO 选项，并提供快速传播延迟（包括短延迟失配）和最小脉冲宽度失真。

特别是，安森美半导体即将推出的产品将提供一种简单的方法来在栅极驱动环路中产生负偏压，适合驱动SiC MOSFET。如果PCB 布局和/或封装引线在功率晶体管Vg 中产生高振铃，则此负偏置很有用。这种栅极电压振铃通常发生在高di/dt 和dv/dt 开关条件下。为了将振铃保持在阈值电压以下以防止杂散传导，通常会对栅极驱动器施加负偏压。有不同的选项可生成-2V、-3V、-4V 和-5V 电压，以适应所有配置。安森美半导体的隔离式栅极驱动器有多种封装选项，包括小型LGA 和SOIC 8 引脚至16 引脚变体。

以下是安森美半导体隔离式栅极驱动器系列的主要特性、电气规格和安全相关认证。

表格1。

正在开发** 可选，可按需提供

*** 计划中

隔离栅极驱动器支持工具

安森美半导体主页上提供了电流隔离栅极驱动器的所有相关文档，包括数据表、设计和开发工具、仿真模型、应用笔记、评估板文档、合规性报告等。

主要相关驱动因素包括：

NCP51560NCP51561 和NCV51561NCP51563 和NCV51563