如何挑選並開始使用功率元件驅動器

連同離散式矽金氧半場效電晶體 (MOSFET)、碳化矽 (SiC) MOSFET、絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 和模組在內，每個離散的切換功率元件都需要使用驅動器。驅動器是一種介面元件，可以為系統處理器在良性受控情境下工作時的低電壓和低電流輸出，與雜亂無章環境下對電流、電壓和時序有嚴格要求的切換元件進行橋接。

由於功率元件的特性，以及電路和佈局中不可避免的寄生效應，為切換元件挑選合適的驅動器，對設計人員來說是一項挑戰。需要仔細考慮切換類型 (Si 或 SiC) 的參數和實際應用。雖然功率元件製造商經常推薦，甚至提供此類元件，但仍需根據應用的具體情況對一些驅動器相關因素進行調整。

雖然在大多數情況下可依照基本的邏輯程序進行調整，但有些設定值 (如閘極驅動電阻值) 需經由迭代分析來確定且須透過實際測試和評估來驗證。這些步驟可能會使複雜的程序更加複雜化，並在缺乏明確指引的情況下拖慢設計速度。

本文會先簡單探討閘極驅動器的作用。接著提供驅動器的挑選指南，並講述如何確保與選定的電源切換元件相容的必要步驟。本文還會以 Infineon Technologies AG 的低功率與高功率元件為例介紹關鍵點，並介紹相關的評估板和套件。

閘極驅動器的作用

簡單來說，閘極驅動器是一種功率放大器，不僅能接受來自控制器 IC (通常是處理器) 的低位準、低功率輸入，且可在必要電壓下產生適當的高電流閘極驅動來開啟和關閉功率元件。其定義雖然很簡單，但背後牽涉複雜的問題，包括電壓、電流、迴轉率、寄生效應、暫態和保護等等。驅動器必須要滿足系統需求並快速驅動電源開關，且不能產生過衝或振鈴，即使寄生和暫態效應隨著切換速度加快而產生越來越多挑戰亦然。

驅動器可用於各種不同的配置。最常見的配置包括一個低側驅動器、一個高側驅動器，以及兩個高／低側驅動器。

在第一種情況中，功率元件 (切換器) 一邊連接負載，一邊接地，負載則介於電軌和切換器之間 (圖 1)。請注意，稱呼此接地為「共接點 (common)」更為貼切，因其並無實際接地，而只是一個定義 0 V 點的公共電路點。

圖 1：在低側配置中，驅動器和切換器位於負載和電路接地／共接點之間。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

在互補的高側配置中，切換器直接連接電軌，負載則位於切換器和接地／共接點之間 (圖 2)。

圖 2：高側配置對調了切換器相對於負載和電軌的位置。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

另一種廣泛使用的拓撲是高／低側配對，用於驅動兩個以橋接方式連接的切換器 (圖 3)。

圖 3：在高／低側配對組合中，兩個切換器交替驅動，而負載位於兩者之間。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

隔離效能如何？

高／低配置需增加兩個電路功能，如圖 4 所示：

圖 4：高／低側配置還需要使用浮動電源和位準移位器，分別為高側供電和傳遞控制訊號。(圖片來源：Talema Group)

上方 (高側) 驅動器和切換元件為「懸浮」式，無接地參考，因此在許多閘極驅動器／電源切換配置中，還需在驅動器功能和被驅動的切換器之間進行電流 (歐姆) 隔離。

隔離是指，隔離屏障兩側之間沒有供電流流動的電氣路徑，但仍須讓訊號資訊通過。這種隔離可以透過光耦合器、變壓器或電容達成。

在系統各種功能電路之間進行電氣隔離，可避免電路之間存在直接傳導路徑，使各個電路具有不同的接地電位。此屏障必須能承受數十到數千伏特不等的全軌電壓 (加上安全餘裕)。大多數隔離器在設計上都能輕鬆達到數千伏以上的要求。

根據特定拓撲，高側閘極驅動器可能需要透過隔離來確保運作無誤，而電源逆變器和轉換器的閘極驅動電路則通常需要進行電氣隔離來實現與其「接地」狀態無關的安全目的。監管與安全認證機構強制要求實施隔離，以確保使用者不會接觸高電壓，避免觸電風險。此外，隔離還可保護低電壓電子裝置，防止其因高壓電路故障和控制側人為失誤而發生任何損壞。

許多功率元件配置，都需要使用經過隔離的閘極驅動電路。例如，在電源轉換器拓撲中，就有半橋、全橋、降壓、雙開關順向和主動鉗位順向等高側與低側開關，原因在於低側驅動器無法直接用於驅動上方功率元件。

由於未連接至接地電位，上方功率元件需要使用經過隔離的閘極驅動器和「浮動」訊號，否則其互補的驅動器和電源開關就會短路。由於這項要求及科技的進步，市面上已推出具隔離能力的閘極驅動器，因而無需使用單獨的隔離元件。而這又簡化了高電壓佈局，同時更容易滿足監管要求。

提升驅動器和切換元件的關係

閘極驅動器 IC 需要支援 SiC MOSFET 的高切換速度，此類元件的迴轉率可達 50 kV/µs 或更高，切換速度則可超過 100 kHz。驅動 Si 元件時，一般需使用 12 V 電壓進行導通，使用 0 V 進行關斷。

有別於 Si 元件，SiC MOSFET 通常需要 +15 至 +20 V 才能導通，需要 -5 至 0 V 才能關斷。因此，這種元件可能需使用具有雙輸入的驅動器 IC，一個用於導通電壓，一個用於關斷電壓。SiC MOSFET 只有在由建議的 18 至 20 V 閘極-源極電壓 (V_gs) 驅動時，才會達到低導通電阻，這遠高於驅動 Si MOSFET 或 IGBT 所需的 10 至 15 V V_gs 值。

Si 和 SiC 的另一個區別是，SiC 元件「飛輪」本質本體二極體的逆向復原電荷 (Q_rr) 非常低。這些元件需要使用高電流的閘極驅動器，才能快速供應所需的全部閘極電荷 (Q_g)。

在閘極驅動器和切換元件閘極之間建立恰當的關係非常重要。其中一個重要步驟是為驅動器和切換元件之間的外部閘極電阻 (R_G,ext) 確定最佳值 (圖 5)。此外，功率元件內還有一個內部閘極電阻 (R_G,int) 與外部電阻相連，但使用者無法進行控制。即便如此，此值仍相當重要。

圖 5：若想最佳化驅動器和功率元件這對組合的效能，必須要為兩者之間的外部閘極電阻確定適當的值。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

確定此電阻值有四個步驟，通常涉及迭代，其原因在於這對組合在某些方面的效能必須在分析和選擇型號後於「工作台上」進行評估。簡單來說，一般程序如下：

步驟 1：依照規格書中的值確定峰值電流 (I_g)，並挑選合適的閘極驅動器。

步驟 2：根據應用的閘極電壓擺幅，計算外部閘極電阻 (R_G,ext) 的值。

步驟 3：計算閘極驅動器 IC 和外部閘極電阻的預期功耗 (P_D)。

步驟 4：在工作台上驗證計算結果，判斷驅動器是否足以驅動電晶體，以及功耗值是否在允許的範圍內：

1. 驗證在最壞情況下是否會出現 dv/dt 暫態觸發寄生導通的情況。
2. 測量閘極驅動器 IC 在穩態作業下的溫度。
3. 計算電阻的峰值功率，並檢查是否符合其單脈衝額定值。

上述措施會確認這些假設和計算是否能確保 SiC MOSFET 實現安全的切換行為 (無振盪，提供恰當的時序)。如果不能，設計人員必須重複步驟 1 至 4，對外部閘極電阻的值進行調整。

與幾乎所有工程決策一樣，選擇元件值時，需在多個效能因素之間取捨。例如，如果存在振盪，則更改閘極電阻值可消除振盪。增加電阻值會降低 dv/dt 的迴轉率，這是因為電晶體的速度會減慢。降低電阻值則會加快 SiC 元件的切換速度，導致 dv/dt 暫態更高。

圖 6 進一步展示增加或降低外部閘極電阻值，對關鍵閘極驅動器效能因素的影響。

圖 6：增加或降低外部閘極電阻值會影響許多效能屬性，因此設計人員必須仔細評估並做出取捨。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

無需折衷

雖然在系統設計中免不了做出折衷選擇，但選對元件將可大大減少此情形。例如，Infineon 的 EiceDRIVER 閘極驅動器 IC 具有出色的功率效率、雜訊耐受性及耐用性。此外，這些元件還易於使用並提供多項功能，例如快速短路保護；去飽和 (DESAT) 故障偵測與保護；主動式米勒箝位；迴轉率控制；擊穿保護；故障、關閉和過電流保護；以及 I²C 數位配置功能等。

這些驅動器非常適合用於矽和寬能隙功率元件。型號也很齊全，包括低功率、低電壓、非隔離式低側驅動器，以及隔離式 kV/kW 元件等。此外，還有雙通道和多通道驅動器，非常適合某些特定場合。

25 V 低側閘極驅動器

在這類元件中，我們以 1ED44176N01FXUMA1 為例進行說明，這是一款採用 DS-O8 封裝的 25 V 低側閘極驅動器 (圖 7)。這款低電壓功率 MOSFET 與 IGBT 非反相閘極驅動器，採用自行研發的防閂鎖 CMOS 技術，實現耐用的單晶片結構。其邏輯輸入與標準 3.3、5 和 15 V CMOS 或 LSTTL 輸出相容，並包括史密特觸發式輸入，可最大程度減少假訊號跳脫；輸出驅動器則具備電流緩衝級特性，其可在最高 50 kHz 下驅動 50 A/650 V 元件，適合用於 AC 線路供電的家電與基礎設施，例如熱泵。

圖 7：1ED44176N01FXUMA1 是一款小型閘極驅動器，採用了 DS-08 封裝及自行研發的防閂鎖 CMOS 技術，適用於低電壓／低功率應用。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

在 1ED44176N01FXUMA1 的關鍵規格中，典型的輸出流出短路脈衝電流 (小於 10 µs 脈衝) 為 0.8 A，電壓為 0 V；輸出流入短路脈衝電流則為 1.75 A，電壓為 15 V。關鍵動態規格包括導通和關斷時間為 50 ns (典型值)/95 ns (最大值)，導通上升時間為 50/80 ns (典型值／最大值)，關斷下降時間為 25/35 ns (典型值／最大值)。

1ED44176N01F 的連接較為簡單，並提供過電流保護 (OCP) 感測引腳及故障狀態輸出引腳 (圖 8)。此外，還有一個專用引腳可對故障清除時間進行編程。EN/FLT 引腳需要上拉才能正常作業，下拉則會停用驅動器。V_CC 引腳上的內部電路提供欠壓鎖定保護，可將輸出保持為低電壓，直至 V_CC 電源電壓降回所需的工作範圍內。獨立的邏輯和電源接地可增強雜訊耐受性。

圖 8：1ED44176N01F 閘極驅動器只有八個引腳，較方便連接至處理器和功率元件。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

雖然連接相對簡單，但此閘極驅動器及相關功率元件的使用者可以受益於 EVAL1ED44176N01FTOBO1 評估板 (圖 9)。使用此評估板，設計人員可以選擇並評估電流感測分流電阻 (R_CS)、用於 OCP 和短路保護的電阻與電容 (RC) 濾波器，以及故障清除時間電容。

圖 9：EVAL1ED44176N01FTOBO1 評估板允許設計人員使用相關切換元件來設定和測量閘極驅動器的關鍵操作點。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

高電壓 SiC MOSFET 閘極驅動器

1EDI3031ASXUMA1 的電壓，遠高於 AC 線路家電閘極驅動器及其功率元件，這是一款隔離式單通道 12A SiC MOSFET 閘極驅動器，額定電壓為 5700 V_RMS (圖 10)。這款高電壓元件專為 5 kW 以上的汽車馬達驅動器而設計，支援 400、600 和 1200 V SiC MOSFET。

圖 10：EDI3031AS 是一款隔離式單通道 12 A SiC MOSFET 閘極，專為 5 kW 以上的汽車馬達驅動器而設計。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

此元件採用 Infineon 的無線圈變壓器 (CT) 技術來實作電流隔離 (圖 11)。

圖 11：電流隔離採用自行研發的無線圈變壓器 (左圖) 實現，右圖為內部構造。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

這項技術有多項特點，不僅可提供高電壓擺盪 (±2300 V 或更高)，還可耐抗正負暫態，功率損耗也很低。此外，訊號傳輸極為可靠，不受共模雜訊所影響，共模暫態耐受性 (CMTI) 可高達 300 v/ns。而且，嚴格的傳播延遲匹配提供容差和穩健性，不會因老化、電流和溫度而發生變化。

1EDI3031ASXUMA1 驅動器支援高達 1200 V 的 SiC MOSFET，具有軌對軌輸出，峰值電流為 12 A，典型傳播延遲時間為 60 ns。CMTI 在 1000 V 下高達 150 V/ns，其 10 A 整合式主動米勒箝位支援單極切換。

這款驅動器主要適用於電動車 (EV) 和油電混合車 (HEV) 的牽引逆變器及輔助逆變器。因此，該元件整合多個安全功能，可支援 ASIL B(D) 級評級，並符合 AEC-Q100 產品驗證。這些功能包括備援 DESAT 和 OCP；閘極與輸出級監控；擊穿保護；一次與二次電源監控，以及內部監測。8 kV 基本絕緣符合 VDE V 0884-11:2017-01 標準，並取得 UL 1577 認證。

1EDI3031ASXUMA1 驅動器具有出色的功率位準，可滿足現今的汽車要求，是一款功能強大但絕不「笨拙」的元件。除了各項安全功能外，此元件還透過狀態圖來確保功能正常 (圖 12)。「入侵式」診斷功能可讓元件在系統故障時進入「安全狀態」。

圖 12：1EDI3031ASXUMA1 閘極驅動器具有出色的精密度且可自我檢查完整性，並能以工作模式狀態圖清晰地加以顯示。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

若選擇 1EDI3031ASXUMA1，設計人員可以使用 1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板快速入門。此評估板適用於 EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 閘極驅動器系列 (圖 13)。

圖 13：1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板適用於 EDI302xAS/1EDI303xAS EiceDRIVER 閘極驅動器系列，允許設計人員評估此款高功率驅動器及相關功率元件。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

這款功能多元的評估平台採用半橋配置，如圖 14 所示。此平台可安裝 HybridPACK DSC IGBT 模組或離散的 PG-TO247-3 功率元件。

圖 14：1EDI30XXASEVALBOARDTOBO1 評估板採用隔離式半橋配置，可與模組或離散元件配套使用。(圖片來源：Infineon Technologies AG)

這款評估板隨附有詳細的規格書，包括完成各種連接的方式和位置，並包含線路圖、物料清單、配置細節、操作順序、LED 指示燈標註及許多其他資訊。

結論

閘極驅動器是連接低位準、低功率數位處理器輸出與 Si 或 SiC MOSFET 等功率元件對位準、功率和電流有較高要求的閘級的關鍵介面元件。根據功率元件的特性及要求適當匹配驅動器，對於確保逆變器、馬達驅動器和照明控制器等電源系統建立成功、可靠的切換電路非常重要。如本文所述，現今有許多驅動器採用多種先進和自行研發的技術，並有配套相關評估板及套件，有助於設計人員找到最佳配對。

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