Драйвер затвора — это усилитель мощности , который принимает маломощный входной сигнал от ИС контроллера и вырабатывает сильноточный входной сигнал управления для затвора мощного транзистора, такого как IGBT или мощный MOSFET . Драйверы затвора могут быть предоставлены либо на кристалле, либо в виде дискретного модуля. По сути, драйвер затвора состоит из сдвига уровня в сочетании с усилителем . ИС драйвера затвора служит интерфейсом между управляющими сигналами (цифровыми или аналоговыми контроллерами) и силовыми ключами (IGBT, MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT ). Интегрированное решение драйвера затвора снижает сложность конструкции, время разработки, спецификацию материалов (BOM) и пространство на плате, одновременно повышая надежность по сравнению с дискретно реализованными решениями драйвера затвора. [1]
В 1989 году компания International Rectifier (IR) представила первый монолитный драйвер затвора HVIC. Технология высоковольтных интегральных схем (HVIC) использует запатентованные и фирменные монолитные структуры, объединяющие биполярные, КМОП и латеральные ДМОП-устройства с пробивным напряжением выше 700 В и 1400 В для рабочих напряжений смещения 600 В и 1200 В. [2]
Используя эту технологию смешанного сигнала HVIC, можно реализовать как схемы сдвига уровня высокого напряжения, так и аналоговые и цифровые схемы низкого напряжения. Благодаря возможности размещения схемы высокого напряжения (в «колодце», образованном кольцами поликремния), которая может «плавать» 600 В или 1200 В, на том же кремнии вдали от остальной части схемы низкого напряжения, силовые MOSFET или IGBT высокой стороны существуют во многих популярных топологиях офлайновых схем, таких как понижающая, синхронная повышающая, полумостовая, полномостовая и трехфазная. Драйверы затворов HVIC с плавающими переключателями хорошо подходят для топологий, требующих конфигураций высокой стороны, полумоста и трехфазной. [3]
В отличие от биполярных транзисторов , МОП-транзисторы не требуют постоянного питания, пока они не включаются или выключаются. Изолированный затвор-электрод МОП-транзистора образует конденсатор ( затворный конденсатор), который должен заряжаться или разряжаться каждый раз, когда МОП-транзистор включается или выключается. Поскольку транзистору требуется определенное напряжение затвора для включения, затворный конденсатор должен быть заряжен по крайней мере до требуемого напряжения затвора для включения транзистора. Аналогично, чтобы выключить транзистор, этот заряд должен быть рассеян, т. е. затворный конденсатор должен быть разряжен.
Когда транзистор включается или выключается, он не переключается немедленно из непроводящего в проводящее состояние; и может временно поддерживать как высокое напряжение, так и проводить большой ток. Следовательно, когда ток затвора подается на транзистор, чтобы заставить его переключиться, выделяется определенное количество тепла, которого в некоторых случаях может быть достаточно, чтобы разрушить транзистор. Поэтому необходимо поддерживать время переключения как можно короче, чтобы минимизировать потери переключения . Типичное время переключения находится в диапазоне микросекунд. Время переключения транзистора обратно пропорционально величине тока, используемого для зарядки затвора. Поэтому часто требуются токи переключения в диапазоне нескольких сотен миллиампер или даже в диапазоне ампер . Для типичных напряжений затвора приблизительно 10-15 В для управления переключателем может потребоваться несколько ватт мощности. При коммутации больших токов на высоких частотах, например, в преобразователях постоянного тока в постоянный или в больших электродвигателях , иногда предусматривают параллельное включение нескольких транзисторов, чтобы обеспечить достаточно высокие коммутационные токи и коммутационную мощность.
Сигнал переключения транзистора обычно генерируется логической схемой или микроконтроллером , который обеспечивает выходной сигнал, который обычно ограничен несколькими миллиамперами тока. Следовательно, транзистор, который напрямую управляется таким сигналом, будет переключаться очень медленно, с соответственно высокими потерями мощности. Во время переключения конденсатор затвора транзистора может потреблять ток так быстро, что это вызовет перенапряжение тока в логической схеме или микроконтроллере, вызывая перегрев, который приводит к необратимому повреждению или даже полному разрушению чипа. Чтобы этого не произошло, между выходным сигналом микроконтроллера и силовым транзистором предусмотрен драйвер затвора.
Зарядовые насосы часто используются в H-мостах в драйверах высокой стороны для управления затвором силовых МОП-транзисторов и БТИЗ с n-каналом высокой стороны . Эти устройства используются из-за их хорошей производительности, но требуют напряжения управления затвором на несколько вольт выше шины питания. Когда центр полумоста становится низким, конденсатор заряжается через диод, и этот заряд используется для последующего управления затвором затвора полевого транзистора высокой стороны на несколько вольт выше напряжения источника или эмиттерного вывода, чтобы включить его. Эта стратегия хорошо работает при условии, что мост регулярно переключается, и позволяет избежать сложности, связанной с необходимостью использования отдельного источника питания, а также позволяет использовать более эффективные n-канальные устройства как для высоких, так и для низких переключателей.