高效驱动大门

大门驱动装置的要求各不相同

人们通常认为IGBT和MOSFET是简单的电压驱动器件，而GaN器件虽然在阈值电压下导通，但需要通过栅源寄生二极管上的小电流来维持导通，且导通电压要更高——但实际情况远比这复杂。所有器件都有一个最大电压，超过这个电压就会出现应力并可能导致失效，而且理想导通电压和绝对最大导通电压之间的裕量有时非常小。碳化硅MOSFET在栅极上施加几伏电压即可导通，但需要大约18伏才能达到完全增强，其绝对最大导通电压有时低至23伏。IGBT和Si-MOSFET的容错性更高，工作电压和最大栅极电压之间通常有超过10伏的差距，而GaN器件则需要源极电流，该电流严格限制在几毫安，且源极电压通常在7伏左右。.

关断电压也各不相同；虽然所有器件类型的标称关断电压均为 V_GS为了抵消米勒电容在器件关断时（dV/dt 较高）向栅极注入电流的影响（从而将栅极电压拉正），通常将栅极电压驱动为负值。负驱动还可以抵消栅极和源/发射极连接中任何共电感的影响，这种共电感会导致在高关断 di/dt 下出现瞬态正栅极电压。.

栅极驱动功率也存在很大的差异——最大的IGBT由于其高总栅极电荷，可能需要超过10W的功率，但对于GaN器件而言，该数值通常在毫瓦级。该值取决于开关频率和总峰峰值栅极电压摆幅，实际上，IGBT和MOSFET的典型功率在0.5至2W之间。对于大型器件，开关边沿的峰值电流也可能达到安培级。因此，栅极驱动器需要对其输出进行严格控制，以确保最低的导通损耗，并避免应力及其导致的可靠性问题。它们需要具有较高的峰值电流额定值和较大的连续功率额定值，同时以受控的PWM dV/dt速率运行，以在效率和电磁干扰之间取得最佳平衡。此外，它们还应具有欠压锁定功能和某种形式的负载故障检测功能，并能快速关断器件。.

驱动器电源轨至关重要

高性能栅极驱动器的关键要素之一是提供电源轨，电源轨有效地设定了栅极电压电平。所需的电压（例如 +15V/-5V）并非系统标准，因此需要使用本地 DC/DC 转换器，并由可用的电源轨（通常为 12V 或 24V）供电。出于多种原因，DC/DC 转换器通常也需要隔离：它可以隔离驱动电流和负载地电流；栅极驱动通常位于‘高侧’，与系统 0V 存在偏移；在许多应用中，开关负载电压和控制电子器件之间必须具有符合机构标准的隔离。. 图 1 展示了典型的全功能隔离式栅极驱动电路及其电源的组成元件。.

图 1：隔离式栅极驱动器和电源，图中所示为 SiC MOSFET 的典型电源轨。

低驱动器隔离电容至关重要

在高侧驱动应用中，DC/DC转换器和驱动器输出地实际上是主要的转换器开关节点，其可能产生频率高达数十或数百kHz、边沿速率高达100 kV/µs的高压波形，如果采用GaN器件，边沿速率甚至可能更高。这种波形会有效地作用于驱动器信号和电源隔离屏障，对绝缘层造成压力，并通过屏障电容注入显著的‘位移’电流。例如，即使是10 kV/µs的电压也会迫使200 mA的电流流过仅20 pF的电容。然后，电流会沿着一条不确定的路径通过控制电子器件返回其源头，这可能导致电磁干扰、运行混乱，甚至造成绝缘层或其他元件的损坏。.

栅极驱动电源可采用模块化解决方案。

针对栅极驱动电源，需要定制的 DC/DC 转换器，而诸如以下模块则满足了这一需求： PUC-2BG Flex 功率模块系列。这些是 2W 的器件，采用 SIP-7 直插封装，引脚排列符合行业标准。产品具有多种固定的输入和输出组合，适用于 IGBT、Si 和 SiC-MOSFET，甚至 GaN 器件，并可进一步调节电压和电流。图 2).

图 2： PUC-2BG 适用于 SiC/GaN/IGBT 应用的 Flex 功率模块系列栅极驱动 DC/DC 转换器

这些部件的显著特点是其极低的隔离电容，最大值为 6.8 pF，最小值为 4.4 pF。产品提供符合机构认证的安全隔离，满足 IEC/EN/UL 62368-1 标准中关于 250 Vrms 系统电压下加强隔离的要求，高压测试电压为 6.2 kVDC。.

这些器件坚固耐用，在 85°C 以下无需降额工作，最高工作温度可达 100°C。它们内置短路保护功能，即使在零负载下，输出也始终保持在规定的规格范围内。这一点至关重要，可以避免上电或待机结束后出现瞬态栅极过电压，因为此时所需的栅极功率接近于零，否则 DC/DC 输出电压可能会升高。该器件的典型效率为 81%，平均故障间隔时间 (MTBF) 为 1300 万小时，是一款运行温度低、可靠性高、即插即用的器件。.