[科普中国]-闸级功率放大器

闸级功率放大器（gate driver），也称闸级驱动器，可以让控制集成电路产生的小功率讯号来驱动功率晶体（例如IGBT或是功率级MOSFET）的闸极。闸级驱动器可能是附在功率晶体上，也有可能是独立的元件。闸级驱动器会包括位准转换器以及放大器电路。

目的MOSFET和双极性晶体管不同，MOSFET在没有切换（切换导通或是切换关断）时，不需要固定的功率输入1。MOSFET的隔离闸极会形成电容器（闸极电容），在每一次切换导通或关闭时，会需要充电或放电。晶体管的基极至少需要特定的电压才能导通，同様的，闸极电容需要一定的电压才能充电，让晶体导通。同样的，若要关断晶体，也需要释放电容器上的电荷，因此闸极电容也需要放电。

在功率晶体导通或是关断，不会立刻就切换到完全导通或是完全不导通的状态，切换过程中可能会有短暂时间通过大电流，且功率晶体上有较大的电压。因此在切换时会使晶体发热，若控制不当，甚至会破坏功率晶体。因此有需要使切换时间越短越好，以降低其切换损失。一般的切换时间约在微秒等级。晶体的切换时间和驱动闸极需要的电流成反比。因此切换电流一般会要求在数百毫安的等级，甚至会到数安培的大小，因为一般的闸极电压会在10-15V之间，切换时会需要消耗数瓦特的功率。假如需要高速的切换大电流，例如直流-直流转换器或是大型的电动机，会将数个功毫安并联，以提供够大的切换电流及功换功率。

功率晶体的切换信号一般是由逻辑电路或是单片机提供，其输出信号的电流一般会限制在数毫安。若功率晶体直接以此信号驱动，其切换速度会非常的慢，而且产生的切换损失很大。在切换时，闸极电容会快速的抽电流，可能会从逻辑电路或是单片机抽取过多的电流，造成元件的永久损坏。为了避免此一情形，会在逻辑电路及单片机输出电路和功率晶体之间加上闸级驱动器。

闸级驱动器在H桥中的应用H桥的高电压端驱动器会使用电荷泵作为闸级驱动器，以切换高电压端n-channel的功率MOSFET及绝缘栅双极晶体管。使用这类元件的原因是其性能良好，但是需要比电源轨电压小一些的闸级电压。若半桥的中心点电压降低时，电容可以透过二极管充电，电荷会在稍晚时间驱动高电压端的FET闸极，使其电压略高于电源轨电压，使此导通。此法可以让桥式电路定期切换，也避免了隔离的电源供应器，可以在高电压端及低电压端都使用效率较好的n-channel元件。

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李晓林 - 教授 - 西南大学