柵極驅動器也不難，原理和應用一文全部搞清楚

在新能源汽車、光伏逆變器、工業(yè)電機控制等 “高效能源轉換” 場景中，如果說功率器件是能量傳輸?shù)暮诵妮d體，那么驅動技術則是決定功率器件性能發(fā)揮的 “神經中樞”。它不僅要實現(xiàn) “控制信號到功率信號” 的精準放大，還要兼顧可靠性、效率與成本平衡，已成為制約電力電子系統(tǒng)升級的關鍵環(huán)節(jié)。

柵極驅動器是低壓控制器和高壓電路之間的緩沖電路，用于放大控制器的控制信號，從而實現(xiàn)功率器件更有效的導通和關斷。很多高功率主流應用都需要 MCU 來控制開關的導通和關斷。由于工藝節(jié)點較小，當代 MCU 的 I/O 總線限制為 1.8V 或 3.3V。需要柵極驅動器來提供足夠的電壓，從而實現(xiàn)開關的導通和關斷。

柵極驅動器的作用，是將控制器的低壓信號轉化為更高電壓的驅動信號，以實現(xiàn)功率器件穩(wěn)定導通和關斷。柵極驅動器能提供瞬態(tài)的拉和灌電流，提高功率器件的開關速度，降低開關損耗。并能夠有效隔絕高功率電路的噪聲，防止敏感電路被干擾。此外，通常驅動器集成了保護功能，可有效防止功率器件損壞。

每個開關都需要一個合適的驅動器。柵極驅動器 IC 充當控制信號（數(shù)字或模擬控制器）和功率開關（IGBT、MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN HEMT）之間的接口。與分立式柵極驅動器解決方案相比，集成柵極驅動器 IC 可降低設計復雜性、縮短開發(fā)時間、減少物料清單 (BOM) 和電路板空間，同時提高可靠性。

也正因此，越來越多的集成隔離、保護、智能診斷甚至動態(tài)驅動能力的芯片變得流行。

柵極驅動器在MOSFET開/關操作中的驅動方式和電流路徑。MOSFET模型包括寄生電容，如CGD和CGS，它們必須充電和放電。

驅動技術核心組成

功率器件驅動的本質，是通過驅動電路為功率器件的柵極（或基極）提供符合需求的電壓 / 電流信號，實現(xiàn)器件的 “導通” 與 “關斷” 控制，其核心邏輯可拆解為三大模塊：

信號隔離模塊

功率回路（高電壓、大電流）與控制回路（低電壓、小電流）需嚴格隔離，避免相互干擾導致器件損壞或系統(tǒng)誤動作。目前主流隔離方案分為三類：

光電隔離：通過光耦實現(xiàn)信號傳輸，成本低、技術成熟，但存在傳輸延遲（典型 50-200ns）、溫漂大等問題，適用于中低速場景（如工業(yè)變頻器）。

磁隔離：基于磁耦合原理（如隔離式 DC/DC、數(shù)字隔離器），傳輸延遲可低至 10ns 以下，抗干擾能力較差，EMI高，并且高誤碼率。

電容隔離：利用電容耦合傳遞信號，傳輸延遲極短（可達 ns 級）、溫漂小，高頻特性優(yōu)異，具有高共模抑制，低輻射，低誤碼率特點，但是功耗略高。

柵極驅動模塊

根據(jù)功率器件類型（IGBT/SiC/GaN）匹配柵極電荷需求：

IGBT 驅動：需提供足夠的柵極充電電流（通常 1-10A），避免導通延遲過長導致開關損耗增加，同時需在關斷時快速抽取柵極電荷，抑制電壓尖峰；

SiC/GaN 驅動：由于器件柵極閾值電壓低（SiC 約 2-4V，GaN 約 1.5-3V）、輸入電容小，需更精準的電壓控制（避免過壓擊穿）和更快的開關速度（適配高頻工況），部分方案還需集成負壓關斷功能，防止器件誤導通。

保護模塊

保護模塊分為普通保護和智能保護兩部分。

普通保護只有欠壓保護、死區(qū)時間保護、過流過壓過熱等；而智能柵極驅動集成了米勒鉗位、退飽和保護、軟關斷電流、電源告警上報等復雜的保護功能。

如圖所示，納芯微總結了關于柵極驅動的關鍵參數(shù)。

米勒鉗位的重要性

米勒鉗位在高壓、高速的開關瞬態(tài)中扮演著至關重要的角色。其核心使命，就是通過實時抑制因橋臂串擾引發(fā)的柵極電壓正向抬升（防誤導通） 與負向過沖（防柵極損傷），從根本上保障系統(tǒng)的可靠性與運行效率。那么，實現(xiàn)這一關鍵功能的設計精髓何在？答案清晰而直接：為干擾電流額外開辟一條獨立、快速的低阻抗泄放路徑，從而將柵極電壓牢牢鉗位在安全的穩(wěn)定區(qū)間內。

驅動器的主要供應商

驅動器本質上來說，也是一種電源，因此各大電源廠商都有著相關的產品提供，特別的是，由于驅動器和功率器件二者關系緊密，因此主流的功率器件廠商都希望結合自身的驅動器進行銷售。

英飛凌

作為全球功率半導體領域的領軍企業(yè)，英飛凌EiceDRIVER系列柵極驅動器極具代表性。全面的柵極驅動集成電路產品組合，提供 0.1A 至 18A 的典型輸出電流選項。另外，柵極驅動器集成了多種保護功能，包括快速短路保護（DESAT）、有源米勒鉗位、交叉導通保護、故障保護、關斷保護及過流保護，使其適用于硅基及寬禁帶功率器件，包括 CoolGaN（氮化鎵）及 CoolSiC（碳化硅）器件。

英飛凌憑借數(shù)十年的應用專業(yè)經驗和技術研發(fā)積累，打造了涵蓋從簡易高性價比方案到全功能高端產品的柵極驅動集成電路產品組合，具有四大核心技術。

無芯變壓器（CT）技術是一種磁耦合式隔離技術，集成了片上變壓器。該變壓器負責在輸入芯片與輸出芯片之間傳輸開關信息及信號。這類柵極驅動器功能基礎、具備強化隔離特性，已通過 UL 及 VDE 認證。

電平位移絕緣體上硅（SOI）技術支持堅固耐用的高壓單片集成電路設計。SOI 技術可提供低阻抗集成自舉二極管，能抵御負瞬態(tài)電壓尖峰，且可消除引發(fā)閂鎖效應的寄生晶體管。

電平位移結隔離（JI）技術是經行業(yè)驗證的標準 MOS/CMOS 工藝。高壓集成電路（HVIC）及抗閂鎖 CMOS 技術支持單片結構設計，實現(xiàn)了性能與價格的最優(yōu)平衡。

非隔離（N-ISO）技術可支持最高 35V 的單片式地參考柵極驅動器。

EiceDRIVER? 柵極驅動器具備多種先進特性，包括集成自舉二極管（BSD）、過流保護、關斷功能、故障報告、使能控制、輸入濾波、運算放大器（OPAMP）、去飽和檢測（DESAT）、可編程死區(qū)時間、交叉導通保護、有源米勒鉗位、主動關斷、獨立灌 / 拉輸出、短路鉗位、軟關斷、兩級關斷、壓擺率控制、電隔離（功能隔離、基本隔離及強化隔離）等。

ADI

ADI表示，選擇柵極驅動器IC時，工程師必須考慮若干關鍵因素。其中一些因素可能與具體應用有關，比如在太陽能轉換應用中，柵極驅動器可能會遇到各種各樣的輸入電壓和功率需求。

高端電壓： 根據(jù)具體應用，高端MOSFET將承受全部電源電壓，為此，柵極驅動器必須具有較高的安全裕度。

共模瞬變抗擾度(CMTI)：快速開關操作會產生高噪聲電平，并且高端和低端MOSFET之間的電壓差可能較高，因此選擇具有高瞬態(tài)抗擾度特性的柵極驅動器至關重要。

峰值驅動電流：對于較高功率的設計，柵極驅動器需要向MOSFET提供高峰值電流，以便對柵極電容快速充電和放電。

死區(qū)時間：為了防止MOSFET因同時導通而被擊穿，半橋電路的高端和低端開關之間須設置短暫的死區(qū)時間，這非常關鍵。強烈建議選擇可配置死區(qū)時間的柵極驅動器，以實現(xiàn)更佳效率。有些柵極驅動器包含默認死區(qū)時間，以防止擊穿故障。

ADI總結了驅動器選型的各種指標，包括驅動強度、時序、隔離、抗擾度幾個重要指標，此外還包括其他指標，如電源電壓、容許溫度、引腳排列等，這些是每個電子器件的共同考慮因素。一些驅動器，如 ADuM4135 和 ADuM4136，也包含保護功能或先進的檢測或控制機制。

ADuM4135采用了ADI公司的iCoupler?技術，提供最高達100 kV/μs的共模瞬變抗擾度，能夠應對此類應用。但是，提高CMTI性能往往會產生額外的延遲。延遲增加意味著高端和低端開關之間的死區(qū)時間增加，這會降低性能。在隔離式柵極驅動器領域尤其如此，因為在此類領域中，信號在隔離柵上傳輸，一般具有更長時間的延遲。但是，ADuM4135不僅提供100 kV/μs CMTI，而且其傳播延遲僅為50 ns。

ADuM4135

德州儀器

德州儀器擁有完整的柵極驅動組合。

德州儀器推出了柵極驅動強度動態(tài)可調的驅動器。

雖然 SiC MOSFET 更高效，但是就像任何其他晶體管一樣，它們在開關時會產生一些功率損耗，而這些功率損耗會影響牽引逆變器的效率。在開關瞬變期間，電壓和電流邊沿會重疊并產生功率損耗。高柵極驅動器輸出電流可以對 SiC FET 柵極進行快速充放電，從而實現(xiàn)較低的功率損耗。然而，開關行為會在溫度、電流和電壓范圍內發(fā)生變化，因此以盡可能快的速度進行開關并非盡如人意。SiC FET 上電壓的快速轉換（稱為漏源電壓(VDS) 的瞬態(tài)電壓 (dv/dt)）會以傳導接地電流形式產生電壓過沖和電磁干擾 (EMI)。鑒于繞組間的電容可能發(fā)生短路，電機本身會受到高 dv/dt 的影響。柵極驅動器電路可以控制功率損耗和開關瞬態(tài)。

通過使用柵極電阻來控制柵極驅動器的輸出拉電流和灌電流，有助于優(yōu)化 dv/dt 和功率損耗之間的權衡。可調輸出驅動強度的柵極驅動器，可以針對溫度和電流范圍內的 SiC MOSFET 壓擺率變化進行優(yōu)化。

可調節(jié)功能對牽引逆變器性能有利，因為它能夠實現(xiàn)更低的 EMI 和更低的損耗，進而提高效率來幫助延長行駛里程。TI 的 UCC5870-Q1 和 UCC5871-Q1 柵極驅動器具有30A 驅動強度，因此可以非常方便地基于更改和優(yōu)化柵極電阻來實現(xiàn)可調柵極驅動解決方案。此外，它們具有電隔離牽引逆變器和 100kV/μs CMTI，因此可以在采用快速開關 SiC 技術的高壓應用中輕松地使用。

采用 UCC5870-Q1 且由 UCC14240-Q1 供電的可調柵極驅動器輸出電路方框圖

安森美

柵極驅動器的設計可確保電源應用中使用的MOSFET安全運行。選擇柵極驅動器時需要考慮的因素包括：

• 米勒電容(CDG) 與寄生導通(PTO)

SiC MOSFET容易產生寄生導通(PTO)，這是由于米勒電容CDG在開關過程中將漏極電壓耦合到柵極。當漏極電壓上升時，該耦合電壓可能會短暫超過柵極閾值電壓，使MOSFET導通。在同步降壓轉換器等電路中，MOSFET通常成對使用，其中有一個高壓側和一個低壓側MOSFET，而PTO會導致這些電路中的“直通”（shoot-through）導通。

當高壓側和低壓側MOSFET同時導通時，就會發(fā)生直通導通，導致高壓通過兩個MOSFET短路到GND。這種直通的嚴重程度取決于MOSFET的工作條件和柵極電路的設計，關鍵因素包括總線電壓、開關速度，(dv/dt)和漏極-源極電阻(RDS(ON))。在最壞的情況下，PTO會引發(fā)災難性的后果，包括短路和MOSFET損壞。

與PCB布局和封裝有關的寄生電容和電感也會加劇PTO。

• 柵極驅動器電壓范圍

柵極驅動的正電壓應足夠高，以確保MOSFET能夠完全導通，同時又不超過最大柵極電壓。在使用碳化硅MOSFET時，必須考慮到它們通常需要比硅MOSFET更高的柵極電壓。同樣，雖然0 V的電壓足以確保硅MOSFET關斷，但通常建議SiC器件采用負偏置電壓，以消除寄生導通的風險。在關斷過程中，允許電壓向下擺動到-3 V甚至-5 V，這樣就有了一定的余量或裕度，可以避免在某些情況下觸發(fā)VGS(TH)，從而意外導通器件。 以這種方式負偏置柵極電壓還能降低MOSFET的EOFF損耗。例如在驅動安森美的第2代"EliteSiC M3S "系列SiC MOSFET時，將關斷電壓從0 V降到-3 V，可將EOFF損耗降低25%。

負柵極偏置（來源：AND90204/D）

RDS(ON)是當器件通過施加到柵極上的特定柵極到源極電壓（VGS）導通時，MOSFET的漏極和源極之間的電阻。隨著VGS的增加，RDS(ON)通常會減小，一般來說，RDS(ON)越小越好，因為MOSFET被用作開關。總柵極電荷QG(TOT)是使MOSFET完全導通所需的電荷，單位為庫侖，通常與RDS(ON)成反比。QG(TOT)電荷由柵極驅動器提供，因此驅動器必須能夠提供拉灌所需的電流。

• 優(yōu)化功率損耗

要利用碳化硅MOSFET降低開關損耗，設計人員需要注意權衡考慮多方面因素。SiC MOSFET的總功率損耗是其導通損耗和開關損耗之和。導通損耗的計算公式為ID2*RDS(ON)，其中ID為漏極電流，選擇RDS(ON)較低的器件可將導通損耗降至最低。然而，由于上述QG(TOT)與RDS(ON)之間的反比關系，較低的RDS(ON)值要求柵極驅動器具有較高的拉電流和灌電流。換句話說，當設計人員選擇RDS(ON)值較低的SiC MOSFET來減少大功率應用中的導通損耗時，柵極驅動器的拉電流（導通）和灌（關斷）電流要求也會相應增加。

SiC MOSFET的開關損耗更為復雜，因為它們受到QG（TOT）、反向恢復電荷(QRR)、輸入電容(CISS)、柵極電阻(RG)、EON損耗和EOFF損耗等器件參數(shù)的影響。開關損耗可以通過提高柵極電流的開關速度來降低，但與此同時，較快的開關速度可能會帶來不必要的電磁干擾（EMI），特別是在半橋拓撲結構中，在預期的開關關斷時還可能觸發(fā)PTO。如上所述，還可以通過負偏置柵極電壓來降低開關損耗。

安森美NCP(V)51752系列隔離式SiC柵極驅動器專為功率MOSFET和SiC MOSFET器件的快速開關而設計，拉電流和灌電流分別為4.5 A和9 A。NCP(V)51752系列包括創(chuàng)新的嵌入式負偏壓軌機制，無需系統(tǒng)為驅動器提供負偏壓軌，從而節(jié)省了設計工作和系統(tǒng)成本。

羅姆

羅姆最新推出的BM6GD11BFJ-LB是一款專為高壓GaN HEMT定制的隔離式柵極驅動器IC。這款緊湊型驅動器專為高達2MHz的開關頻率而設計，并支持低至65ns的最小輸入脈沖寬度，可釋放GaN所需的速度和效率，同時提高高性能應用中的安全性、信號完整性和設計簡單性。針對氮化鎵電源應用優(yōu)化的開關器件與硅或SiC晶體管不同，GaN HEMT需要極快和精確的柵極驅動特性才能充分發(fā)揮其效率潛力。羅姆的BM6GD11BFJ-LB專為應對這一挑戰(zhàn)而設計，以高達2MHz的速度提供可靠的開關。其電流隔離柵耐壓高達2500Vrms，即使在高壓設計中也能確保控制域和電源域之間的安全信號傳輸。

該器件支持4.5V至6.0V之間的柵極電壓，非常適合全面增強大多數(shù)GaN器件。主要增強功能包括最大輸入到輸出延遲僅為60ns，最小輸入脈沖寬度為65ns，比羅姆的上一代產品縮短33%，使其適用于激進的占空比開關，而不會失去控制保真度。結合在-40°C至+125°C的寬溫度范圍內運行的能力，它非常適合惡劣的工業(yè)和商業(yè)環(huán)境。

意法半導體

意法半導體最新推出了STDRIVEG210和STDRIVEG211半橋GaN柵極驅動器是為工業(yè)或電信設備母線電壓供電系統(tǒng)、72V電池系統(tǒng)和110V交流電源供電設備專門設計，電源軌額定最大電壓220V，片上集成線性穩(wěn)壓器，為上下橋臂提供6V柵極驅動信號，拉電流和灌電流路徑采用分開獨立設計，可以靈活控制GaN的開通和關斷。

STDRIVEG210主打功率變換應用，例如，服務器電源、電池充電器、電源適配器、太陽能微型逆變器和功率優(yōu)化器、LED燈具、USB-C電源。諧振和硬開關兩種拓撲均適用，300ns啟動時間大幅縮短喚醒時間，在間歇工作（突發(fā)模式）期間，效果尤為顯著。

STDRIVEG211配備過流檢測和智能關斷功能，適用于除電源應用以外的電動工具、電動自行車、泵、伺服等電機驅動和D類音頻放大器。 兩款器件都集成自舉二極管，可輕松為上橋臂驅動器供電，從而簡化系統(tǒng)電路設計，盡可能降低物料清單成本（BOM）。柵極驅動路徑采用分開獨立設計，拉電流2.4A，灌電流1.0A，確保開關轉換快，方便優(yōu)化dV/dt參數(shù)。保護功能包括防止交叉導通的互鎖功能。上下橋臂驅動器的傳輸延時都很短，匹配時間為10ns，可降低半橋的死區(qū)時間。欠壓鎖定（UVLO）功能可防止器件進入低效率或危險工況，而面向電機驅動應用的STDRIVEG211還具有額外的上橋臂UVLO保護功能。 兩款器件還具有過熱保護功能和高達±200V/ns的dV/dt抗擾度，而高達20V的輸入電壓容差有助于簡化控制器接口電路。待機引腳有助于簡化電源管理設計，獨立的電源接地引腳方便設計更好的開爾文源極柵極驅動或電流分流檢測電路。

納芯微

截至目前，納芯微柵極驅動產品累計出貨量超 11億顆，其中新能源汽車領域約 3.9億顆，廣泛應用于電驅、OBC/DCDC 等核心系統(tǒng)，在國內電驅市場份額位居第一。

近期，由工業(yè)和信息化部指導、中國汽車工程學會組織編制的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖3.0》（以下簡稱“路線圖3.0”）正式發(fā)布。

在驅動芯片領域，路線圖明確了技術發(fā)展方向：產品將向高性能、集成化、高可靠性與高安全性演進。比如，柵極驅動的關鍵技術趨勢包括提升驅動電流能力，提供智能驅動電流調節(jié)和共模瞬變抗干擾度。此外，在工藝上還將攻關垂直MOS工藝、垂直BCD工藝及車規(guī)耐高壓工藝等，預計到2040年通過設計與工藝優(yōu)化實現(xiàn)橋驅與高邊導通內阻進一步降低，全面支持48V系統(tǒng)。

近年來，SiC碳化硅器件因其高耐壓、高開關速度、低損耗、高過載能力等優(yōu)勢開始嶄露頭角。隨著光伏與儲能系統(tǒng)的持續(xù)進化與SiC器件的持續(xù)普及，下一代的光伏與儲能逆變器系統(tǒng)將更為廣泛地應用SiC器件。針對SiC特性，納芯微推出了優(yōu)化的隔離柵極驅動解決方案（如NSI660x系列），能夠滿足系統(tǒng)高壓、高效率升級需求。納芯微同時還提供電流型輸入的隔離柵極驅動器（如NSI6801系列），以高速響應、高拉灌電流能力以及強抗擾能力應對更復雜的電磁環(huán)境與設計，確保整機系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。

總結

柵極驅動技術是高效能源控制的核心，它通過精準放大控制信號、優(yōu)化開關速度與損耗，并集成多重保護，確保功率器件（如IGBT、SiC/GaN）的可靠運行。隨著新能源和工業(yè)應用對性能要求的提升，驅動技術正朝著高頻化、集成化和寬禁帶適配的方向快速發(fā)展，成為電力電子系統(tǒng)升級的關鍵。

閱讀更多精彩內容

請將我們設為“星標”，這樣就會第一時間收到推送消息。

歡迎關注EEWorld旗下訂閱號：“機器人開發(fā)圈”

掃碼添加小助手回復“機器人”

進群和電子工程師們面對面交流經驗