第5章 驱动电路
# 介绍
栅极驱动器是一种功率放大器，它接受来自控制器 IC 的低功率输入，并为 IGBT 或功率 MOSFET 等高功率晶体管的栅极产生高电流驱动输入。 栅极驱动器可以片上提供，也可以作为分立模块提供。 本质上，栅极驱动器由电平转换器和放大器组成。 栅极驱动器 IC 充当控制信号（数字或模拟控制器）和电源开关（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN HEMT）之间的接口。 集成栅极驱动器解决方案可降低设计复杂性、开发时间、物料清单 (BOM) 和电路板空间，同时比分立实施的栅极驱动解决方案提高可靠性。
与双极晶体管相比，MOSFET 不需要恒定的功率输入，只要它们不被打开或关闭即可。 MOSFET 的隔离栅极形成一个电容器（栅极电容器），每次 MOSFET 导通或关断时都必须对其进行充电或放电。 由于晶体管需要特定的栅极电压才能导通，因此栅极电容器必须至少充电至晶体管导通所需的栅极电压。 类似地，要关闭晶体管，必须耗散该电荷，即必须对栅极电容器进行放电。
当晶体管导通或截止时，它不会立即从非导通状态切换到导通状态； 并且可以瞬时支持高电压并传导高电流。 因此，当栅极电流施加到晶体管以使其开关时，会产生一定量的热量，在某些情况下，这足以损坏晶体管。 因此，有必要保持开关时间尽可能短，以最小化开关损耗。 典型的切换时间在微秒范围内。 晶体管的开关时间与用于对栅极充电的电流量成反比。 因此，往往需要的开关电流在几百毫安范围内，甚至在安培范围内。 对于大约 10-15V 的典型栅极电压，可能需要几瓦的功率来驱动开关。 当大电流以高频切换时，例如 在DC-DC转换器或大型电动机中，有时会并联设置多个晶体管，以提供足够高的开关电流和开关功率。
晶体管的开关信号通常由逻辑电路或微控制器生成，其提供的输出信号通常限制为几毫安的电流。 因此，由这样的信号直接驱动的晶体管将非常缓慢地切换，并且具有相应的高功率损耗。 在开关过程中，晶体管的栅极电容器可能会如此快速地汲取电流，从而导致逻辑电路或微控制器中的电流透支，从而导致过热，从而导致芯片的永久性损坏甚至完全毁坏。 为了防止这种情况发生，在微控制器输出信号和功率晶体管之间提供了栅极驱动器。
电荷泵通常用在高侧驱动器的 H 桥中，用于栅极驱动高侧 n 沟道功率 MOSFET 和 IGBT。 这些器件因其良好的性能而被使用，但需要比电源轨高几伏的栅极驱动电压。 当半桥的中心变低时，电容器通过二极管充电，并且该电荷随后用于将高侧 FET 栅极的栅极驱动到比源极或发射极引脚的电压高几伏，从而将其打开。 如果电桥定期开关，则该策略效果良好，并且避免了必须运行单独电源的复杂性，并允许将更高效的 n 沟道器件用于高开关和低开关。
# 常见的栅极驱动电路中的隔离方法
# 光耦合器
使用光在两个隔离电路之间传输信号 – LED + 光电晶体管，20 世纪 70 年代（Avago、Fairchild、东芝等）
# 变压器
集成微型变压器和电子电路，2001（ADI、英飞凌、罗姆等）
# 电容器
通过电容隔离和开关键控 (OOK) 调制进行信号传输，2004（Silabs、TI和其他的）
# CMTI
CMTI（Common mode transient immunity，共模瞬变抗扰度）是隔离产品栅极驱动电路中最重要的指标之一。 CMTI指是指瞬态穿过隔离层以破坏驱动器输出状态所需的最低上升或下降
CMTI分为静态和动态。静态是指把输入引脚连逻辑高电平或者低电平，然后模拟施加共模瞬变，理论上在CMTI规格以内的冲击都无法改变输出状态。和静态CMTI的要求一样，动态CMTI的冲击下，输出也应当保持正常，如果CMTI的能力不够强， 会出现类似脉冲缺失、传播延迟过大、高低电平错误或者输出锁存器错误。