Драйвер затвора — это усилитель мощности , который принимает маломощный входной сигнал от микросхемы контроллера и создает сильноточный входной сигнал для затвора мощного транзистора, такого как IGBT или силовой MOSFET . Драйверы затворов могут быть встроены в кристалл или в виде дискретного модуля. По сути, драйвер затвора состоит из преобразователя уровня в сочетании с усилителем . Микросхема драйвера затвора служит интерфейсом между сигналами управления (цифровыми или аналоговыми контроллерами) и силовыми ключами (IGBT, MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT ). Интегрированное решение с драйвером затвора снижает сложность конструкции, время разработки, спецификацию материалов (BOM) и пространство на плате, одновременно повышая надежность по сравнению с дискретно реализованными решениями с приводом затвора. [1]
В 1989 году компания International Rectifier (IR) представила первый монолитный драйвер затвора HVIC. В технологии высоковольтных интегральных схем (HVIC) используются запатентованные и запатентованные монолитные структуры, объединяющие биполярные, CMOS и латеральные DMOS устройства с напряжением пробоя выше 700 В и 1400 В. V для рабочих напряжений смещения 600 В и 1200 В. [2]
Используя эту технологию HVIC со смешанными сигналами, можно реализовать как высоковольтные схемы сдвига уровня, так и низковольтные аналоговые и цифровые схемы. Благодаря возможности размещать высоковольтные схемы (в «колодце», образованном поликремниевыми кольцами), которые могут «плавать» с напряжением 600 В или 1200 В, на том же кремнии вдали от остальной низковольтной схемы, верхняя сторона Силовые МОП-транзисторы или IGBT существуют во многих популярных топологиях автономных схем, таких как понижающая, синхронно повышающая, полумостовая, полномостовая и трехфазная. Драйверы затвора HVIC с плавающими переключателями хорошо подходят для топологий, требующих высоковольтных, полумостовых и трехфазных конфигураций. [3]
В отличие от биполярных транзисторов , МОП-транзисторы не требуют постоянной входной мощности, пока они не включаются и не выключаются. Изолированный затвор-электрод МОП-транзистора образует конденсатор (конденсатор затвора), который должен заряжаться или разряжаться каждый раз, когда МОП-транзистор включается или выключается. Поскольку для включения транзистора требуется определенное напряжение затвора, конденсатор затвора должен быть заряжен как минимум до напряжения затвора, необходимого для включения транзистора. Аналогично, чтобы выключить транзистор, этот заряд должен рассеяться, т. е. конденсатор затвора должен быть разряжен.
Когда транзистор включается или выключается, он не переходит сразу из непроводящего состояния в проводящее; и может кратковременно поддерживать как высокое напряжение, так и проводить большой ток. Следовательно, когда к транзистору подается ток затвора, вызывающий его переключение, выделяется определенное количество тепла, которого в некоторых случаях может быть достаточно, чтобы разрушить транзистор. Поэтому необходимо сделать время переключения как можно более коротким, чтобы минимизировать потери на переключение . Типичное время переключения находится в диапазоне микросекунд. Время переключения транзистора обратно пропорционально величине тока , используемого для зарядки затвора. Поэтому коммутационные токи часто требуются в пределах нескольких сотен миллиампер или даже в диапазоне ампер . При типичном напряжении затвора примерно 10–15 В для управления переключателем может потребоваться мощность в несколько ватт . Когда большие токи переключаются на высоких частотах, например, в преобразователях постоянного тока или больших электродвигателях , несколько транзисторов иногда включаются параллельно, чтобы обеспечить достаточно высокие коммутационные токи и коммутируемую мощность.