什么是隔离栅极驱动器？

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大家好，欢迎观看 TI 高精度 实验室视频，本视频将讨论

隔离式栅极驱动器。

在本视频中，我们 将简要介绍栅极

驱动器的概念 并详细解释

隔离式和非隔离式栅 极驱动器的本质特征。

我们还将学习隔离式 栅极驱动器的一些

关键优势。

首先是一个简单介绍。

什么是栅极驱动器？

简单来说，栅极 驱动器是一个

用于放大来自 微控制器或其他

来源的低电压或 低电流的缓冲电路。

在某些情况下， 例如驱动用于数字

信号传输的逻辑 电平晶体管时，

使用微控制器输出 不会损害应用的

效率、尺寸或热性能。

在高功率应用中， 微控制器输出

通常不适合用于 驱动功率较大的

晶体管。

但是为什么要使用微控制器 来驱动功率晶体管呢？

为了更好地回答这个 问题，我们来考虑一下

最大型的应用。

开关电源是几乎 每一个现代电气

系统的核心。

任何插到壁式 插座上的设备

都可以利用 开关电源来进行

功率因数校正和 生成直流轨。

汽车系统使用 开关电源

来维持电池、马达和 充电器等组成的

日益复杂的生态系统。

电网基础设施 要求高效率地

转换直流太阳能 电池板提供的开关电能，

从而将电能传输到 直流存储系统和交流

电网。

由于应用中 存在大量拓扑

且复杂性日益升高， 对于高功率

晶体管阵列， 现代开关电源通常

使用微控制器 或其他 ASIC

来协调其开关， 以满足精确的

开关计时要求。

这可能会带来挑战， 因为大多数微控制器

输出并没有针对驱动 功率晶体管进行优化。

您可能已经 猜到了，高功率

晶体管与模拟 信号链或数字

逻辑电路中的

其他晶体管的 特性几乎完全

不同。

功率晶体管的 击穿电压的分布

范围极大，从大约 40 伏到 1,200 伏

甚至更高。

由于需要实现 较高的漏极电路和

较低的导通损耗， 漏源电阻需要

低至几十毫欧姆甚至更小。

与漏源电阻 成反比的栅极

电容通常超过

10,000pF。

栅极驱动电压 和电流要求

在很大程度上 取决于晶体管

结构和漏极电流 额定值，其常见值

在 8 至 30 伏和 1 至 5 安培之间。

高噪声环境甚至可能 需要双极输出驱动。

与频率为几十或几百 兆赫的信号链或

数字晶体管相比，

传统高功率

晶体管的频率 上限只有几百千赫，

随着新技术的出现，

有可能会将该上限 推高一个数量级。

这种频率限制 是由于增高的

栅极电容和驱动 电压要求造成的。

电容器的能量 等于 1/2 乘以

电容再乘以 电压的平方。

栅极电容的 充放电功耗

等于电容器的

能量乘以 频率的两倍 --

一次充电， 一次放电。

具有 15 纳法栅极 电容的功率晶体管

在 200 千赫、12 伏 方波驱动条件下

需要近半瓦的功耗。

对于可传输 3 至 5 千瓦电力的转换器，

提高开关频率 所带来的好处，

比如减小磁体的 尺寸和重量，

有时要比几瓦 驱动损耗的成本

更有价值。

在决定晶体管的 驱动要求的元素中，

还有一种更为 棘手的损耗源。

在栅极电容 充放电过程中，

开关会在全开和 全关状态之间

存在一个过渡期， 此时开关上

会出现电压， 且会有电流

流过开关。

由于同时存在较高的 电压和较高的电流，

因此这类开关损耗 会造成相当大的功耗，

有时会达到几十瓦，

以及进一步的 效率降级。

因此，通过更快地 对栅极电容

进行充放电 来缩短过渡期的

持续时间 是有好处的。

如果输出电压 甚至高到足以

使晶体管导通， 那么大多数

微控制器 提供的低电流

信号在驱动 高功率晶体管时

都会慢得 令人发指，

效率极低。

现在我们来回答什么是 栅极驱动器这个问题，

栅极驱动器是一个 用于放大来自

微控制器或其他 来源的控制信号，

从而使其适应 半导体开关的

有效和高效 运行的电路。

有许多栅极驱动器 都可以在承受

高偏置电压的 情况下工作，

例如高功率转换器中 使用的那些。

广义地说，这些 栅极驱动器分为两类：

非隔离式栅极驱动器和 隔离式栅极驱动器。

大多数用于 在高电压下运行的

非隔离式栅极驱动器 都是半桥驱动器。

半桥驱动器 旨在驱动

以半桥配置 堆叠在一起的

功率晶体管。

它们有两个通道：

低侧和高侧。

低侧是一个相当 简单的缓冲器，

通常与控制输入 具有相同的接地点。

而高侧则是 经过精心设计

且以半桥的 开关节点为基准，

从而允许使用两个 N 沟道 MOSFET 或两个 IGBT。

开关节点应该 在高电压

总线和电源接地 之间快速过渡，

从而让我们 有机会以具有

成本效益的方式 利用与为低侧供电时

相同的电源通过 自举电路为高侧供电。

为了传达输出应为 高电平还是低电平，

必须包含一个 高电压电平转换器，

该转换器的泄漏 电流通常较小，

只有几微安或更小。

这种类型的栅极驱动器 具有很多局限性。

首先，因为它整体 都在同一硅片上，

因此，无法超出 硅的工艺极限。

大多数非隔离式栅极 驱动器的工作电压

都不超过 700 伏。

第二，电平转换器 必须承受高电压

运行的压力， 且必须在高噪声

环境中传达 输出状态。

因此，为了实现 充足的噪声滤波，

电平转换器 通常会添加一些

传播延迟。

然后，低侧的驱动器 又要与高侧驱动器的

较长延迟相匹配。

第三，用于在高电压下运行的 非隔离式栅极驱动器

不够灵活。

现在存在许多 复杂的拓扑，

它们要求 多个输出能够

转换至控制 公共端电平

以上或以下。

在现代栅极驱动器中 越来越常见的特性是

在输入和输出电路 之间集成了隔离层。

这些器件将一个 硅片用于控制

信号，另一个 用于输出驱动信号，

并通过距离 和绝缘材料

对其进行物理隔离。

控制信号 在传输过程中

可通过多种方式 穿过隔离层，

但是，与非隔离式 栅极驱动器不同的是，

隔离层可防止 任何显著的

泄漏电流 从隔离层的

一侧流向另一侧。

由于一个输入 裸片可与多个

输出裸片隔离， 而输出裸片之间

又可以彼此隔离， 因此输出公共端

可以自由地 从输入公共端

或其他输出公共端向上偏移， 直至达到隔离技术的

极限。

与具有不灵活的电平 转换器和预定输出角色的

非隔离式栅极驱动器不同的是， 隔离式栅极驱动器的输出

可以以电路中的 任何节点为基准，

且可以构造为 单通道或双通道

器件。

隔离技术的极限 远远高于

非隔离式栅极 驱动器的硅工艺限制，

可提供耐受力高于 5 千伏的隔离层。

除了提高电压 上限和灵活性之外，

隔离式栅极驱动器

还可以用于实现更快速、 更稳健的运行。

使用隔离的 原因有很多。

许多应用都因为 监管要求而需要

使用隔离式电源， 并且隔离式栅极

驱动器可以用来 简化系统结构。

有时，隔离层的

强度还可以 用来增强系统抵抗

浪涌、雷击和

其他有可能损坏系统的 异常事件的能力。

在其他情况下，通过 灵活地使用隔离层

可以简化拓扑的设计， 从而无需再使用

信号转换器或 电平转换器，

如反相降压/升压。

即使是在并不严格 要求进行隔离的

传统半桥应用中， 隔离式栅极驱动器

也可以凭借优异的 传播延迟、较高的

驱动力和对高电压 瞬态的更出色承受力

而胜过非隔离式 栅极驱动器。

使用隔离式栅极 驱动器的常用拓扑

包括牵引逆变器、 电机驱动器、

三相功率因数校正电路和 串式光伏逆变器。

这些拓扑都在 交流和直流电源

之间转换， 直接与高电压

直流总线和电机 或电网等三相系统

相连。

在下一节中， 我们将更详细地

了解这些和其他 转换器拓扑，

并重点学习 隔离式栅极驱动器

为什么能够改进和 简化系统设计。

本视频到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

内容的理解。 225

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隔离式栅极驱动器。

在本视频中，我们 将简要介绍栅极

驱动器的概念 并详细解释

隔离式和非隔离式栅 极驱动器的本质特征。

我们还将学习隔离式 栅极驱动器的一些

关键优势。

首先是一个简单介绍。

什么是栅极驱动器？

简单来说，栅极 驱动器是一个

用于放大来自 微控制器或其他

来源的低电压或 低电流的缓冲电路。

在某些情况下， 例如驱动用于数字

信号传输的逻辑 电平晶体管时，

使用微控制器输出 不会损害应用的

效率、尺寸或热性能。

在高功率应用中， 微控制器输出

通常不适合用于 驱动功率较大的

晶体管。

但是为什么要使用微控制器 来驱动功率晶体管呢？

为了更好地回答这个 问题，我们来考虑一下

最大型的应用。

开关电源是几乎 每一个现代电气

系统的核心。

任何插到壁式 插座上的设备

都可以利用 开关电源来进行

功率因数校正和 生成直流轨。

汽车系统使用 开关电源

来维持电池、马达和 充电器等组成的

日益复杂的生态系统。

电网基础设施 要求高效率地

转换直流太阳能 电池板提供的开关电能，

从而将电能传输到 直流存储系统和交流

电网。

由于应用中 存在大量拓扑

且复杂性日益升高， 对于高功率

晶体管阵列， 现代开关电源通常

使用微控制器 或其他 ASIC

来协调其开关， 以满足精确的

开关计时要求。

这可能会带来挑战， 因为大多数微控制器

输出并没有针对驱动 功率晶体管进行优化。

您可能已经 猜到了，高功率

晶体管与模拟 信号链或数字

逻辑电路中的

其他晶体管的 特性几乎完全

不同。

功率晶体管的 击穿电压的分布

范围极大，从大约 40 伏到 1,200 伏

甚至更高。

由于需要实现 较高的漏极电路和

较低的导通损耗， 漏源电阻需要

低至几十毫欧姆甚至更小。

与漏源电阻 成反比的栅极

电容通常超过

10,000pF。

栅极驱动电压 和电流要求

在很大程度上 取决于晶体管

结构和漏极电流 额定值，其常见值

在 8 至 30 伏和 1 至 5 安培之间。

高噪声环境甚至可能 需要双极输出驱动。

与频率为几十或几百 兆赫的信号链或

数字晶体管相比，

传统高功率

晶体管的频率 上限只有几百千赫，

随着新技术的出现，

有可能会将该上限 推高一个数量级。

这种频率限制 是由于增高的

栅极电容和驱动 电压要求造成的。

电容器的能量 等于 1/2 乘以

电容再乘以 电压的平方。

栅极电容的 充放电功耗

等于电容器的

能量乘以 频率的两倍 --

一次充电， 一次放电。

具有 15 纳法栅极 电容的功率晶体管

在 200 千赫、12 伏 方波驱动条件下

需要近半瓦的功耗。

对于可传输 3 至 5 千瓦电力的转换器，

提高开关频率 所带来的好处，

比如减小磁体的 尺寸和重量，

有时要比几瓦 驱动损耗的成本

更有价值。

在决定晶体管的 驱动要求的元素中，

还有一种更为 棘手的损耗源。

在栅极电容 充放电过程中，

开关会在全开和 全关状态之间

存在一个过渡期， 此时开关上

会出现电压， 且会有电流

流过开关。

由于同时存在较高的 电压和较高的电流，

因此这类开关损耗 会造成相当大的功耗，

有时会达到几十瓦，

以及进一步的 效率降级。

因此，通过更快地 对栅极电容

进行充放电 来缩短过渡期的

持续时间 是有好处的。

如果输出电压 甚至高到足以

使晶体管导通， 那么大多数

微控制器 提供的低电流

信号在驱动 高功率晶体管时

都会慢得 令人发指，

效率极低。

现在我们来回答什么是 栅极驱动器这个问题，

栅极驱动器是一个 用于放大来自

微控制器或其他 来源的控制信号，

从而使其适应 半导体开关的

有效和高效 运行的电路。

有许多栅极驱动器 都可以在承受

高偏置电压的 情况下工作，

例如高功率转换器中 使用的那些。

广义地说，这些 栅极驱动器分为两类：

非隔离式栅极驱动器和 隔离式栅极驱动器。

大多数用于 在高电压下运行的

非隔离式栅极驱动器 都是半桥驱动器。

半桥驱动器 旨在驱动

以半桥配置 堆叠在一起的

功率晶体管。

它们有两个通道：

低侧和高侧。

低侧是一个相当 简单的缓冲器，

通常与控制输入 具有相同的接地点。

而高侧则是 经过精心设计

且以半桥的 开关节点为基准，

从而允许使用两个 N 沟道 MOSFET 或两个 IGBT。

开关节点应该 在高电压

总线和电源接地 之间快速过渡，

从而让我们 有机会以具有

成本效益的方式 利用与为低侧供电时

相同的电源通过 自举电路为高侧供电。

为了传达输出应为 高电平还是低电平，

必须包含一个 高电压电平转换器，

该转换器的泄漏 电流通常较小，

只有几微安或更小。

这种类型的栅极驱动器 具有很多局限性。

首先，因为它整体 都在同一硅片上，

因此，无法超出 硅的工艺极限。

大多数非隔离式栅极 驱动器的工作电压

都不超过 700 伏。

第二，电平转换器 必须承受高电压

运行的压力， 且必须在高噪声

环境中传达 输出状态。

因此，为了实现 充足的噪声滤波，

电平转换器 通常会添加一些

传播延迟。

然后，低侧的驱动器 又要与高侧驱动器的

较长延迟相匹配。

第三，用于在高电压下运行的 非隔离式栅极驱动器

不够灵活。

现在存在许多 复杂的拓扑，

它们要求 多个输出能够

转换至控制 公共端电平

以上或以下。

在现代栅极驱动器中 越来越常见的特性是

在输入和输出电路 之间集成了隔离层。

这些器件将一个 硅片用于控制

信号，另一个 用于输出驱动信号，

并通过距离 和绝缘材料

对其进行物理隔离。

控制信号 在传输过程中

可通过多种方式 穿过隔离层，

但是，与非隔离式 栅极驱动器不同的是，

隔离层可防止 任何显著的

泄漏电流 从隔离层的

一侧流向另一侧。

由于一个输入 裸片可与多个

输出裸片隔离， 而输出裸片之间

又可以彼此隔离， 因此输出公共端

可以自由地 从输入公共端

或其他输出公共端向上偏移， 直至达到隔离技术的

极限。

与具有不灵活的电平 转换器和预定输出角色的

非隔离式栅极驱动器不同的是， 隔离式栅极驱动器的输出

可以以电路中的 任何节点为基准，

且可以构造为 单通道或双通道

器件。

隔离技术的极限 远远高于

非隔离式栅极 驱动器的硅工艺限制，

可提供耐受力高于 5 千伏的隔离层。

除了提高电压 上限和灵活性之外，

隔离式栅极驱动器

还可以用于实现更快速、 更稳健的运行。

使用隔离的 原因有很多。

许多应用都因为 监管要求而需要

使用隔离式电源， 并且隔离式栅极

驱动器可以用来 简化系统结构。

有时，隔离层的

强度还可以 用来增强系统抵抗

浪涌、雷击和

其他有可能损坏系统的 异常事件的能力。

在其他情况下，通过 灵活地使用隔离层

可以简化拓扑的设计， 从而无需再使用

信号转换器或 电平转换器，

如反相降压/升压。

即使是在并不严格 要求进行隔离的

传统半桥应用中， 隔离式栅极驱动器

也可以凭借优异的 传播延迟、较高的

驱动力和对高电压 瞬态的更出色承受力

而胜过非隔离式 栅极驱动器。

使用隔离式栅极 驱动器的常用拓扑

包括牵引逆变器、 电机驱动器、

三相功率因数校正电路和 串式光伏逆变器。

这些拓扑都在 交流和直流电源

之间转换， 直接与高电压

直流总线和电机 或电网等三相系统

相连。

在下一节中， 我们将更详细地

了解这些和其他 转换器拓扑，

并重点学习 隔离式栅极驱动器

为什么能够改进和 简化系统设计。

本视频到此结束。

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内容的理解。 225