不要忘了肌肉：柵極驅動器

之前早些時候的有將功率因數校正（PFC）比作啤酒嗎？這個比喻太精彩了！在這一類比中，杯中啤酒代表電子裝置實際上需要的「有功功率」，頂部的泡沫代表「無功功率」，整杯啤酒加上泡沫代表「表觀功率」。今天，我打算提出一個相關的比喻來解釋柵極驅動器在PFC設計中的作用。

首先，讓我們來簡單介紹一下PFC電路的分類。PFC電路整體上分為無源（被動式）或有源（主動式）電路。創建無源PFC電路，需要使用電容器和電感器等無源元件增加電流導通角並平滑脈衝，減少電流的諧波失真。這種方法簡單可靠，但是，當功率較高時，無源元件的尺寸和成本會成為較大的問題。無源PFC設計獲得的功率因數（PF）只能達到0.9，而且會受到頻率、負載變化和輸入電壓的影響。

有源PFC使用DC/DC電路，電路中有MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或其他有源元件，以強制電流保持電壓的波形和相位。與無源PFC相比，有源PFC可以獲得更高的PF，而且對輸入電壓沒有嚴格要求。有源PFC的缺點包括相對複雜的電路；效率也會受到有源元件損耗的影響。

可以使用不同的拓撲結構來實現有源PFC電路，例如升壓PFC（也稱為傳統PFC）、雙升壓無橋PFC和圖騰柱無橋PFC。每種拓撲結構包含不同數量的有源元件，都有自己的優點和缺點。當設計PFC時，應該考慮每種拓撲結構的效率和額定功率，然後決定使用哪種類型的控制器。然而，許多設計者忽視的部分是連接控制器切換FET的柵極驅動器。柵極驅動器顯得太普通而不被人關注，但是柵極驅動器對於系統性能具有重要作用。

柵極驅動器本質上是用最少的開關損耗將邏輯信號提高為高電流和高電壓信號實現快速導通和關斷MOSFET或IGBT的放大器。同樣以與啤酒相關東西來類比，電源開關MOSFET或IGBT就像是啤酒龍頭手柄，柵極驅動就像調酒師手上的肌肉，控制器就像調酒師大腦。調酒師的技能和龍頭手柄的質量都會影響杯中實際能夠得到的啤酒量。

在PFC電路中，柵極驅動器切換升壓級中的晶體管，以調節電流，強制電流與正弦波電壓保持相同的相位。那麼，柵極驅動器如何影響PFC電路的性能？幾個參數和功能起著至關重要的作用：

• 驅動電流。雖然不是每個應用都需要強大的電流驅動（較大的瞬態電流可能產生電磁干擾（EMI）問題），較高功率的應用將需要更強的電流驅動同時驅動多個場效應晶體管（FET）。因此，高驅動電流為範圍廣闊的功率應用提供了靈活性。
• 開關特性。包括傳播延遲、延遲匹配、以及信號的上升和下降時間。開關時間會大大地影響電源開關的速度，使控制更可預測和準確。短延遲匹配還降低了擊穿風險，使設計更容易。
• 互鎖功能。擊穿保護，也稱為互鎖功能，在使用半橋式或全橋式電路的一些應用中非常重要。在圖騰柱PFC中，兩個電源開關（一個高側FET，一個低側FET）交替導通和關斷。如果兩個開關同時導通，電流會流過兩個FET，可能會損壞系統。互鎖功能可以防止擊穿發生,將兩個FET都關斷，並在短時間內導通其中一個。正如德州儀器的《基於GaN FET的CCM圖騰柱無橋PFC》電源設計研討會論文中所描述，此設計使用兩個硅MOSFET和兩個氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)降低傳導損耗。需要兩個驅動器：一個半橋驅動器驅動常規硅MOSFET，另一個半橋驅動器驅動GaN晶體管。TI的600V LMG3410 GaN功率級將橋式驅動器和GaN晶體管集成到一個封裝內，進一步降低了功耗，改善了EMI。為了驅動硅FET，具有互鎖功能的橋式驅動器提高了設計的可靠性。

隨著更多國家的法規強制要求更高的效率，PFC將在各種應用中使用的越來越多。明智地選擇拓撲結構和元件可以讓PFC更高效，滿足需求。而且不要忘了柵極驅動器——調酒師手上的肌肉。

現在已經了解了柵極驅動器的重要性，但在PFC設計中大腦起著更重要的作用。德州儀器提供了廣泛的PFC控制器解決方案，包括用於單相和多相交錯PFC的模擬和數字控制器。

學習更多技術知識，請關注電子研習社