在电力系统设计中，效率是最重要的，它需要更好地利用可用能源，并从更小的包中提供更多的电力。除了一些专业的或极低成本的应用，大多数处理高电压和高电流的设计使用开关技术的电机驱动器，逆变器和离线电源。
近年来，功率开关器件的选择稳步扩大:硅基功率mosfet、igbt和双极晶体管现在已经加入了基于宽带隙(WBG)半导体(如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN))的新型器件。
另一个长期的设计趋势是增加功率晶体管的开关频率，因为它降低了开关损耗并允许使用更小的磁性元件。采用WBG设备将这些优势扩展到千瓦级的功率级别。
满足功率晶体管驱动要求
一个MOSFET有一个重要的门电容，必须充电或放电时，设备是接通或关闭。驱动电路必须提供高峰值电流来快速接通MOSFET。相反地，驱动器需要向地吸收相同数量的电流来关闭设备。这个序列在功率晶体管的工作频率上重复。
增加开关频率对驱动电路提出了额外的要求，包括在5v或更低的电压下工作，低传播延迟，通道之间的紧密匹配，以及最小的寄生电感。
复杂的电源设计通常依赖于数字设备，如微控制器来控制电源传输，计算脉宽调制(PWM)频率，处理诊断，并产生开启或关闭信号。为什么它不能直接驱动电源晶体管?
微控制器在许多方面都做得很好，但在高开关频率下提供大电流不是其中之一。一个典型的输出引脚通常是一个3.3 v的逻辑信号，能够提供或降低几个毫安，远低于在可用时间内为MOSFET门电容充电所需要的。此外，许多电力设备要求的接通电压大于3.3 V。
控制器输出和功率晶体管输入之间的大电流栅极驱动器解决了这个问题。它结合了电平转换和电流驱动功能。此外，将栅极驱动器物理位置靠近电源开关可以帮助减小高频开关噪声对设计敏感部件的影响。
虽然门驱动器可以集成到一个专门的电源控制器IC中，但一个单独的设备可以通过去除一个重要的热源使控制器运行更凉爽。许多门驱动芯片都具有热效率高的电源封装，其中包括用于散热的暴露焊盘。
1.UCC27524A是一个双通道栅极驱动器，接口是来自微控制器和功率晶体管的低压、低电流PWM输出。(来源:德州仪器)
图1显示标准的直接驱动应用程序。UCC27524是一种双栅极驱动器，可将高达5a的电流输入电容负载。这两个通道具有匹配的传播延迟，这有助于具有关键时间要求的应用，如同步整流器。输入与TTL和cmos逻辑阈值兼容，每个通道有一个专用的使能引脚。
该器件升降速度快，分别为7ns和6ns，典型的传播延迟为13ns，信道间匹配为1-ns。它可在一个暴露的pad DGN包。
其他门驱动器应用程序
栅极驱动器被设计用来直接驱动本质上是电容性的功率晶体管。然而，他们也可以通过栅驱动变压器间接驱动他们，当然，这是一个感性负载。高功率继电器是另一种感性负载，广泛应用于汽车电子和智能电网等应用，门驱动器也适用于此。
尽管激励线圈所需的电流小于保持电流，一个标准继电器仍然需要持续的电源应用，以保持所需的状态。一种更加节能的方法是使用一个锁存继电器，在去除控制电源后保持其接触位置。锁存继电器允许通过继电器控制电路的单个脉冲控制触点;如果继电器必须在功率损失期间保持其位置，这也是可取的。
图2显示驱动锁存继电器的UCC27524。在这个双线圈装置中，一个100毫秒的脉冲被应用到线圈a (OUTA)，它打开继电器;一个类似的脉冲应用到线圈B (OUTB)关闭继电器。线圈上的重复脉冲没有效果。
2.在这里，UCC27524驱动电子仪表应用中的双线圈配置。(资料来源:德州仪器)(点击图片放大)
继电器驱动工作在低频，小于1hz，脉冲长度为20 - 200ms。线圈电阻限制栅极驱动器的峰值电流。
对隔离驱动程序的需求
许多电源设计中的高电压和高电流本质上是危险的:VDE 0884、IEC 60950等安全标准和其他机构的类似要求，要求将潜在的致命电压和电流与可能的人类接触隔离开来。
隔离开关式电源(SMPS)拓扑使用变压器的一次和二次线圈之间的隔离来完成电源路径的这一任务。然而，设计者也必须隔离控制和反馈信号，这一要求可以通过增加其他电路元件的隔离能力来满足。
除其主要功能外，隔离放大器、门驱动器或其他设备还包括高压隔离组件或屏障;一种变送器，其对输入信号进行调制使其通过所述隔离隔板;在屏障另一边的接收器将信号解调回原来的形式。根据设备的不同，输入和输出信号可以是模拟或数字性质。TI为各种应用提供了许多隔离设备。详细的设计指南可以找到在这里．
几个水平的隔离在安全标准中定义:
•基本的隔离在屏障完好无损的情况下，可以提供抗高压保护，但如果可能的话，它需要与另一个隔离屏障结合。
•加强隔离相当于两个基本隔离屏障串联在一起，本身就足以作为抗高压的安全屏障。
•功能隔离足以使系统正常工作，但不一定提供防震保护。
UC21520隔离门驱动程序
UCC21520将两种功能结合在一起，节省了成本和空间(图3)．这是一个孤立的双通道栅极驱动器，可以驱动功率mosfet、igbt和SiC mosfet。该设备可以提供高达4-A的峰值电流，吸收高达6 A的电流，并在高达5MHz的开关。
3.UCC21520框图显示了输入和保护电路、调制/解调块和两种不同的隔离栅。(来源:德州仪器)
5.7 kvRMS加强的隔离屏障将输入端与两个输出驱动器隔离开来;该屏障能承受至少100 v /ns共模瞬态免疫(CMTI)。内部功能隔离的两个二次侧驱动器允许工作电压高达1500v dc。
该部件可以配置为半桥驱动器与可编程死时间(DT)，两个低侧驱动器，或两个高侧驱动器。它以V作用DD供电电压高达25v。VCCI范围从3到18v允许UCC21520与模拟和数字控制器接口，并且所有的电源电压引脚都有欠压锁定(UVLO)保护。
UCC21520采用电容隔离技术;高压二氧化硅(SiO2)电容器充当隔离元件。SiO2是一种优良的高介电强度介质。与聚酰亚胺和其他聚合物绝缘材料不同，它是无孔隙的，而且它的可靠性不会随着环境湿度的增加而降低。
应用示例:隔离电源拓扑
4.UCC21520可以容纳各种隔离电源配置，如这里显示的半桥。RDT的值设置死区时间;连接引脚DT到输入端电源电压VCCI允许输出重叠。(资料来源:德州仪器)(点击图片放大)
的电路图4显示UCC21520驱动典型的半桥配置。该部分适用于同步降压、同步升压、半桥式和全桥式功率变换器拓扑。其他应用包括三相电机驱动、太阳能逆变器和电动汽车的电池充电器。
应用实例:三相逆变器
功率逆变器是将直流电(dc)转换成交流电(ac)的电路或设备。顾名思义，三相逆变器由三个独立的电路组成，具有协调的输出，产生三相交流驱动。三相逆变器在不间断电源(UPS)、太阳能逆变器和用于交流电机调速控制的变频驱动器中有许多应用。
5.该隔离三相逆变器参考设计实现了3个ucc25120驱动6个igbt。使用多个AMC1301隔离放大器测量IGBT模块块的相电流、输入直流电压和温度。(资料来源:德州仪器)(点击图片放大)
图5给出了交流感应电机三相逆变器参考设计的框图;设计功率可达10千瓦。每个相位需要一个UCC21520驱动高侧和低侧igbt和一个AMC1301增强隔离放大器来测量相电流。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是一种电压控制器件，结合了MOSFET的高输入阻抗和双极晶体管的高电流输出。igbt在中高功率级(几千瓦到几兆瓦)设计中很受欢迎，特别是在需要高动态范围和低噪声的PWM应用中。
TMS320F28027微控制器，TI的32位Piccolo家族的一部分，提供整体控制。
结论
门驱动器是一种通用组件，有助于解决许多电力驱动问题。TI提供隔离和非隔离器件，可以驱动电容和感应负载，范围从mosfet到WBG器件到继电器。
各种设备可提供不同的工作电压和驱动电流。更多TI门驱动产品的信息可以在这里找到在这里．
