常見的的功率器件不外乎就是BJT, MOSFET, IGBT……這三種，這些功率器件很難直接用MCU或Control IC驅動，因此通常會在主控IC 與功率元件中間插入一驅動電路(Gate Driver 文後簡稱GD)，加入GD的好處是增加驅動的能力，將功率從主控IC分離出來，同時也可以起到緩衝的作用，比較常見的是在功率元件燒毀時「降低」主控IC跟著燒毀的機率，但也不是絕對可以完全避免。
BJT的Base(基)極屬於低阻抗、電流驅動型，目前市面上在工業用途已經很少看到BJT的蹤影，故，此篇以IGBT和MOSFET的驅動電路的計算進行探討，且IGBT的閘極為MOSFET , 故文中皆以MOS簡稱取代之。
下圖為BJT 與MOSFET 控制輸出電流的方示：
GD 也大致上分成2種: IC整合型與分離元件(discreate)型式，無論哪種方式各有其利基點，且視空間面積與成本考量選擇，本文將以專用h的GD IC 進行說明與計算。
MOS的閘級(Gate)特性—就是高輸入阻抗與電壓驅動，這比起BJT的電流驅動相對容易許多。
因為製程的關係，MOSFET 一定會產生的寄生電容(CG-D,CG-S,CD-S):
也因為有寄生電容故會產生Gate charge 電流(QG)
Total Gate Charge : (QG=QG-S+QG-D)
我們由上圖可以看出QG 對於Drain Voltage(VD)_ 與Drain Current (ID) 的影響。
MOS 的主要損耗有2種:
一是Conduction Loss (導通損，Pd=ID2* Rdson);
一是Switching loss (開關損)也就是在ON 與OFF 過程VD 與ID 重疊損。或是IGBT 的Conduction loss (Pd=VCEsat* IC) 及VC 與IC 的重疊損。
從GD 到MOS 間會有三種型式的接法，視實際的應用與不同的工況還有元件的特性進行選擇:
A: On 與Off速度相同; B: Off 速度比on 快; C: On 的速度比Off 快
本篇以on/off 速度相等的常見電路<A>來說明GD 的計算。為了避免讓工程師們覺得GD 很難計算，故本文將複雜的計算公式簡化，套用簡易的計算與設計至少可以降低PCBA 後開機的瞬間產生一褸白煙的可能性。當然，若要精算整體的性能與損耗請直接參考文末原廠所提供的Application Note。
✽如何計算MOS GD IC的Power Dissipation(Pd):
原廠的AN_ 2003_ PL18_2204_004502 (網址於文末) 有非常精闢的解說，不過綜合的整篇內容可以在Page17找到一個非常精華公式，也就是我們最需要(簡單)的:
PDRIVE = QG x VG x fs
假設QG=27nC, VG=15V, Fs=100KHz
PDRIVE =27nC* 14V *100KHz =37.8mW
看! 有沒有很簡單的就算出GD 的Pd !?
用這樣的公式可去計算出多顆併聯的MOSFET結果，也可以很容易的去查出GD 損耗是否在安全的使用範圍?(安全的使用範圍需包含在安全的操作溫度範圍內)
✽如何計算MOS RGext的Power Dissipation(PD):
在計算RGext 的PD 之前一定要特別注意一件事--
RGext 絕對不能 ≦ VG/Iout(source ,sink)
下面可以當做是GD 輸出往MOS 的示意圖：
因為是用簡單的單一RGext , 所以RGext 可以等效為:RGon=RGoff
其中RG 又等於RGext +MOSFET 的RGint
**請注意某些高速的MOSFET會內建並標注RGint 值
PG_charing_peak = I2 G_charging_peak * RG
PG_discharing_peak =I2 G_discharging_peak *RG
用上面求出的PG 再乘上 2~3倍的功率即可以決定RG 的相對應的包裝尺寸。
當然，我們不能只用最大的電流去決定RG大小，本篇僅在於計算GD 與RG 的最大損耗功率、以便決定選型，某些情況下會因為錯誤的RG 導致切換速度太快(di/dt)或太慢而導致振盪或切換損失變大，
因此，還是需要套用QG 來決定RG 參數控制開與關的上升及下降的斜率。
【結論:】 是不是需要做到很精密的計算?
“Time to Market” 是很現實的問題，粗略的計算GD 與RG的損耗是有其必要的，但不是每個線路的GD 的Iout, Isink 電流越大越好，也不是RG越小越好，這也會牽涉到成本的考量，與線路的穩定性。
本文簡單的說明了靜態的GD 與RG最大功率與電流的計算，真的要精算其實還得把基本的動態參數帶入。
請期待下一篇有關於功率開關(IGBT, MOSFET...) 動態驅動有關的博文，咱們下次見。
以上內容包含圖片皆引用自Infineon 官網:
https://www.infineon.com/
本文參考文件:
- AN 2203 PL18 2204 004502 Gate MOSFETs in switching applications
- AN978 HV Floating MOS-Gate Driver ICs
- AN_1909_PL52_1911_173913 CoolMOS gate drive and switching dynamics
- AN 2015-06 Gate Resistor for Power Devices
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