什么是柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器？
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什么是柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器？
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器是向電壓驅(qū)(qū)動(dòng)型MOSFET或IGBT的柵極端子施加電壓來控制其驅(qū)(qū)動(dòng)的電路。
目前，最通用的柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器是驅(qū)(qū)動(dòng)和控制MOSFET柵極的電路，但也有使用電阻器、二極管和雙極晶體管等晶體管的模擬電路技術(shù)(shù)。最近，柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器外圍電路元件本身也不斷發(fā)(fā)展。
種類和組合有很多種，但最實(shí)用的是學(xué)(xué)習(xí)(xí)使用MOSFET的柵極電壓驅(qū)(qū)動(dòng)控制電路。
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器的應(yīng)(yīng)用
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器用于通過僅由 MOSFET 和柵極電阻組成的簡單驅(qū)(qū)動(dòng)電路來驅(qū)(qū)動(dòng)功率晶體管。
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器的優(yōu)(yōu)點(diǎn)是零件數(shù)(shù)量少。缺點(diǎn)是開關(guān)(guān)速度和損耗隨電阻值變化很大，很難設(shè)(shè)定合適的電阻值。另外，作為改善該電阻值調(diào)(diào)整問題的電路，還用于使用二極管分別驅(qū)(qū)動(dòng)MOSFET柵極ON/OFF的電路中。
由于二極管電壓仍然存在，因此它不會(huì)完全為零，但連接上下 MOSFET 的 Pch 和 Nch 的稱為推挽的電路解決了這個(gè)問題。目前，這是柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器最常用的應(yīng)(yīng)用。
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)原理
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器由晶體管推挽電路組成。
推挽電路是通過交替操作兩個(gè)晶體管來執(zhí)(zhí)行開關(guān)(guān)或放大的電路。推挽電路有兩種類型：“射極跟隨器型”和“發(fā)(fā)射極接地型”，但基本上經(jīng)(jīng)常是后者。
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器由充當(dāng)(dāng)中層管理器角色的電路組成，在晶體管站點(diǎn)執(zhí)(zhí)行大量工作的強(qiáng)大功率元件和微控制器之間進(jìn)(jìn)行協(xié)(xié)調(diào)(diào)，微控制器充當(dāng)(dāng)公司的大腦和總裁并發(fā)(fā)出控制命令政策。
功率 MOSFET和IGBT是可流過大電流的功率器件的示例。在大多數(shù)(shù)情況下，直接驅(qū)(qū)動(dòng)這些設(shè)(shè)備的電壓和電流不足以由普通微控制器輸出。
因此，為了驅(qū)(qū)動(dòng)功率元件和微控制器，它們之間需要一個(gè)柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器。
有關(guān)(guān)柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器的其他信息
1. 什么是超高速柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器？
超高速柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器是專門用于高速開關(guān)(guān)的柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器。
其中，所謂的超高速器件一般具有幾十皮秒或更短的開關(guān)(guān)速度。 Pico 是 10 的負(fù)(fù) 12 次方，因此它的切換速度小于 1/1 秒的負(fù)(fù) 12 次方（1 萬億）。
這可以說是由于最近半導(dǎo)(dǎo)體器件的技術(shù)(shù)創(chuàng)(chuàng)新而發(fā)(fā)生的演變。
2.超高速柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)(yīng)用
以下是已投入實(shí)際應(yīng)(yīng)用的超高速器件柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器。
第一種類型是使用最常用半導(dǎo)(dǎo)體硅的晶體管，有雙極型和 MOS 型。雙極型能夠在數(shù)(shù)十皮秒內(nèi)(nèi)進(jìn)(jìn)行高速開關(guān)(guān)。 MOS型雖然有動(dòng)作延遲，但適合高密度電路集成。
第二種是化合物半導(dǎo)(dǎo)體型晶體管。 MESFET是肖特基柵型場效應(yīng)(yīng)晶體管，HBT是異質(zhì)(zhì)雙極晶體管，HEMT是高遷移率場效應(yīng)(yīng)晶體管。使用的半導(dǎo)(dǎo)體是砷化鎵化合物。該元件是當(dāng)(dāng)今超高速器件之一，可以執(zhí)(zhí)行幾皮秒的開關(guān)(guān)操作，使其成為最快的半導(dǎo)(dǎo)體。
第三種方法仍處于研究階段，是一種稱為約瑟夫森裝置的裝置，它利用兩種超導(dǎo)(dǎo)體之間的隧道效應(yīng)(yīng)。它的開關(guān)(guān)速度是所推出的第二種元件的一半，并使用鈮等金屬材料。然而，由于需要極低的運(yùn)行溫度等條件，其實(shí)際應(yīng)(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)(zhàn)。
3.SiC柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器
SiC柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器是當(dāng)(dāng)今電力電子領(lǐng)(lǐng)域備受關(guān)(guān)注的半導(dǎo)(dǎo)體器件，因其優(yōu)(yōu)異的耐壓性和更高的開關(guān)(guān)速度。這是指由一種叫做碳化硅（俗稱SiC）的半導(dǎo)(dǎo)體制成的柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器，其使用已成為業(yè)(yè)界的趨勢。
特別是，使用 SiC 的 MOSFET 有助于極大地提高大功率逆變器中存在的問題的開關(guān)(guān)性能，并在實(shí)現(xiàn)(xiàn)高擊穿場強(qiáng)和載流子漂移速度 Ta 的同時(shí)改善散熱。
然而，SiC 面臨著解決各種 SiC 成分中電壓差異的挑戰(zhàn)(zhàn)。
4. 目前主要的柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器件
目前，我們希望與柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器一起運(yùn)行的主要器件是電壓驅(qū)(qū)動(dòng)器件，例如 MOSFET 和 IGBT。柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器不需要持續(xù)(xù)流過電流，但由于開關(guān)(guān)操作期間會(huì)流過短期脈沖電流，因此必須特別注意柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器作為功率器件的額定電流和電壓值。
特別是IGBT，與MOSFET相比，在數(shù)(shù)十伏的高電壓下表現(xiàn)(xiàn)出優(yōu)(yōu)異的特性，因此最好盡可能選擇與電壓范圍和應(yīng)(yīng)用相匹配的柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器偏置特性。
5、模塊化及未來趨勢
IGBT 的特點(diǎn)是工作電壓高，如果超過最大額定值，則容易瞬間損壞。因此，與單個(gè)IGBT（分立式）相比，將柵極驅(qū)(qū)動(dòng)IC、保護(hù)(hù)電路等與單個(gè)IGBT結(jié)(jié)合在一起的IGBT模塊更易于使用，目前已被市場廣泛接受。
柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器技術(shù)(shù)開發(fā)(fā)的未來趨勢不僅包括旨在實(shí)現(xiàn)(xiàn)更小尺寸和更高性能的易于使用的產(chǎn)(chǎn)品，還包括 D 類放大器和電機(jī)驅(qū)(qū)動(dòng)器等專用 IC。這些柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器很可能與前面提到的 SiC 半導(dǎo)(dǎo)體和 GaN 器件的柵極驅(qū)(qū)動(dòng)器分開。