วงจรขับเกต (Gate driver)คือวงจรขยายกำลังที่รับอินพุตกำลังต่ำจากไอซี ควบคุม และสร้างอินพุตขับกระแสสูงสำหรับเกตของทรานซิสเตอร์กำลังสูง เช่นIGBTหรือMOSFET กำลังสูง วงจรขับเกตสามารถจัดให้ได้ทั้งแบบรวมในชิปหรือเป็นโมดูลแยกต่างหาก โดยพื้นฐานแล้ว วงจรขับเกตประกอบด้วยตัวเปลี่ยนระดับร่วมกับตัวขยายสัญญาณไอซีวงจรขับเกตทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซระหว่างสัญญาณควบคุม (ตัวควบคุมดิจิทัลหรืออนาล็อก) และสวิตช์กำลัง (IGBT, MOSFET, SiC MOSFET และGaN HEMT ) โซลูชันวงจรขับเกตแบบรวมช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบ เวลาในการพัฒนา รายการวัสดุ (BOM) และพื้นที่บนบอร์ด ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงความน่าเชื่อถือเมื่อเทียบกับโซลูชันวงจรขับเกตที่แยกใช้งาน^{[ 1 ]}

ในปี พ.ศ. 2532 International Rectifier (IR)ได้แนะนำผลิตภัณฑ์ไดรเวอร์เกต HVIC แบบโมโนลิธิกตัวแรก เทคโนโลยีวงจรรวมแรงดันสูง (HVIC) ใช้โครงสร้างโมโนลิธิกที่จดสิทธิบัตรและเป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งรวมอุปกรณ์ไบโพลาร์ CMOS และ DMOS ด้านข้างเข้าด้วยกัน โดยมีแรงดันพังทลายสูงกว่า 700 V และ 1400 V สำหรับแรงดันออฟเซ็ตในการทำงานที่ 600 V และ 1200 V ^{[ 2 ]}

การใช้เทคโนโลยี HVIC แบบผสมสัญญาณนี้ ทำให้สามารถใช้งานทั้งวงจรเปลี่ยนระดับแรงดันสูงและวงจรอนาล็อกและดิจิทัลแรงดันต่ำได้ ด้วยความสามารถในการวางวงจรแรงดันสูง (ใน 'บ่อ' ที่สร้างขึ้นจากวงแหวนโพลีซิลิคอน) ซึ่งสามารถ 'ลอย' 600 V หรือ 1200 V บนซิลิคอนเดียวกันที่อยู่ห่างจากวงจรแรงดันต่ำส่วนที่เหลือ MOSFET หรือ IGBT กำลังสูงด้านสูงจึงมีอยู่ในโทโพโลยีวงจรแบบออฟไลน์ที่เป็นที่นิยมหลายแบบ เช่น buck, synchronous boost, half-bridge, full-bridge และ three-phase ตัวขับเกต HVIC ที่มีสวิตช์ลอยตัวเหมาะสำหรับโทโพโลยีที่ต้องการการกำหนดค่าด้านสูง half-bridge และ three-phase ^{[ 3 ]}

แตกต่างจากทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ MOSFET ไม่ต้องการกระแสเบสอย่างต่อเนื่องเพื่อคงอยู่ในสถานะเปิด ตราบใดที่ยังไม่ได้เปิดหรือปิด ขั้วไฟฟ้าเกตที่แยกออกจากกันของ MOSFET ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุ (ตัวเก็บประจุเกต) ซึ่งจะต้องถูกชาร์จหรือคายประจุทุกครั้งที่ MOSFET ถูกเปิดหรือปิด เนื่องจากทรานซิสเตอร์ต้องการแรงดันเกตที่เฉพาะเจาะจงเพื่อเปิดทำงาน ตัวเก็บประจุเกตจึงต้องถูกชาร์จอย่างน้อยที่สุดให้ถึงแรงดันเกตที่ต้องการเพื่อให้ทรานซิสเตอร์เปิดทำงานได้ ประจุเกตทั้งหมดไม่ใช่ค่าความจุเพียงอย่างเดียว จะเป็นตัวกำหนดพลังงานขับที่ต้องการ: ${\displaystyle Q_{g}}$

${\displaystyle E_{gate}=Q_{g}\times V_{GS}}$

กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ใช้ในการขับเกตคือ:

${\displaystyle P_{gate}=Q_{g}\times V_{GS}\times f_{s}}$

ความถี่ในการสลับอยู่ที่ไหน^{[ 4 ]}${\displaystyle f_{s}}$

ในทำนองเดียวกัน ในการปิดการทำงานของทรานซิสเตอร์ ประจุนี้จะต้องถูกระบายออกไป กล่าวคือ ตัวเก็บประจุที่ขาเกตจะต้องคายประจุออก

เมื่อทรานซิสเตอร์ถูกเปิดหรือปิด มันจะไม่เปลี่ยนจากสถานะไม่นำไฟฟ้าไปเป็นสถานะนำไฟฟ้าทันที และอาจรองรับทั้งแรงดันสูงและนำกระแสสูงได้ชั่วคราว ดังนั้น เมื่อจ่ายกระแสเกตไปยังทรานซิสเตอร์เพื่อทำให้มันเปลี่ยนสถานะ จะเกิดความร้อนขึ้นจำนวนหนึ่ง ซึ่งในบางกรณีอาจมากพอที่จะทำลายทรานซิสเตอร์ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรักษาเวลาในการเปลี่ยนสถานะให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดการสูญเสียจากการเปลี่ยนสถานะเวลาในการเปลี่ยนสถานะโดยทั่วไปอยู่ในช่วงไมโครวินาที เวลาในการเปลี่ยนสถานะของทรานซิสเตอร์แปรผกผันกับปริมาณกระแสที่ใช้ในการชาร์จเกต ดังนั้น กระแสในการเปลี่ยนสถานะจึงมักต้องการอยู่ในช่วงหลายร้อยมิลลิแอมป์หรือแม้กระทั่งในช่วงแอมแปร์สำหรับแรงดันเกตทั่วไปประมาณ 10-15 โวล ต์ อาจต้องใช้กำลังไฟฟ้า หลาย วัตต์ ในการขับเคลื่อนสวิตช์ เมื่อมีการสลับกระแสไฟฟ้าปริมาณมากด้วยความถี่สูง เช่น ในวงจรแปลงกระแสตรงเป็นกระแสตรงหรือมอเตอร์ไฟฟ้า ขนาดใหญ่ บางครั้งจึงจำเป็นต้องใช้ทรานซิสเตอร์หลายตัวต่อขนานกัน เพื่อให้ได้กระแสสลับและกำลังสลับที่สูงเพียงพอ

สัญญาณสวิตช์สำหรับทรานซิสเตอร์มักถูกสร้างขึ้นโดยวงจรลอจิกหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งให้สัญญาณเอาต์พุตที่มีกระแสจำกัดเพียงไม่กี่มิลลิแอมป์ ดังนั้น ทรานซิสเตอร์ที่ถูกขับเคลื่อนโดยตรงด้วยสัญญาณดังกล่าวจะสวิตช์ช้ามาก ส่งผลให้สูญเสียพลังงานสูง ในระหว่างการสวิตช์ ตัวเก็บประจุที่ขาเกตของทรานซิสเตอร์อาจดึงกระแสเร็วมากจนทำให้เกิดกระแสเกินในวงจรลอจิกหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ ส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไปจนนำไปสู่ความเสียหายถาวรหรือแม้กระทั่งการทำลายชิปโดยสิ้นเชิง เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์นี้ จึงมีตัวขับเกตอยู่ระหว่างสัญญาณเอาต์พุตของไมโครคอนโทรลเลอร์และทรานซิสเตอร์กำลัง

วงจรปั๊มประจุ (Charge pump)มักใช้ในวงจร H-bridgeใน วงจรขับ ด้านสูง (high side driver) สำหรับขับเก ตของ MOSFETและIGBTแบบ n-channel ด้านสูงอุปกรณ์เหล่านี้ถูกใช้เนื่องจากมีประสิทธิภาพดี แต่ต้องการแรงดันขับเกตที่สูงกว่าแรงดันไฟเลี้ยงไม่กี่โวลต์ เมื่อจุดกึ่งกลางของวงจรครึ่งบริดจ์เป็นแรงดันต่ำ ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จผ่านไดโอด และประจุนี้จะถูกนำไปใช้ขับเกตของ FET ด้านสูงในภายหลังให้สูงกว่าแรงดันขาซอร์สหรือขาอีมิเตอร์ไม่กี่โวลต์เพื่อเปิดใช้งาน กลยุทธ์นี้ใช้ได้ผลดีตราบใดที่บริดจ์มีการสลับการทำงานอย่างสม่ำเสมอ และหลีกเลี่ยงความซับซ้อนของการต้องใช้แหล่งจ่ายไฟแยกต่างหาก และช่วยให้สามารถใช้อุปกรณ์ n-channel ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าสำหรับทั้งสวิตช์แรงดันสูงและต่ำได้

ในระหว่างการเปลี่ยนสถานะการสลับ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังต้องรักษาแรงดันและกระแสไฟฟ้าจำนวนมากพร้อมกัน การทับซ้อนนี้ส่งผลให้เกิดการสูญเสียจากการสลับ ซึ่งสามารถประมาณได้ดังนี้: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle P_{sw}\approx {\frac {1}{2}}VI(t_{r}+t_{f})f_{s}}$

โดยที่คือเวลาเพิ่มขึ้นคือเวลาลดลง และคือความถี่ในการสลับ ${\displaystyle t_{r}}$${\displaystyle t_{f}}$${\displaystyle f_{s}}$

เพื่อลดการสูญเสียจากการสวิตช์ ช่วงเวลาการเปลี่ยนผ่านจะต้องสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เนื่องจากเวลาในการสวิตช์มีความสัมพันธ์ผกผันกับกระแสขับเกตที่มีอยู่ กระแสเกตสูงสุดในช่วงหลายร้อยมิลลิแอมป์ถึงหลายแอมป์จึงมักจำเป็นในการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง^{[ 4 ]}วงจรรวมขับเกตสมัยใหม่โดยทั่วไปจะให้กระแสแหล่งจ่ายและกระแสซิงค์สูงสุดในช่วง 1–10 A ^{[ 6 ]}

ที่แรงดันเกตทั่วไป 10–15 V และความถี่การสวิตช์สูง เช่นที่ใช้ในตัวแปลง DC-to-DC และไดรฟ์มอเตอร์ วงจรขับเกตอาจกระจายพลังงานหลายวัตต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีอุปกรณ์หลายตัวเชื่อมต่อแบบขนาน^{[ 7 ]}

วงจรลอจิกและไมโครคอนโทรลเลอร์โดยทั่วไปจะให้กระแสเอาต์พุตเพียงไม่กี่มิลลิแอมป์ การขับเกตของพาวเวอร์ MOSFET หรือ IGBT โดยตรงจากเอาต์พุตดังกล่าวจะส่งผลให้การเปลี่ยนสถานะการสวิตช์ช้าลงและการสูญเสียการสวิตช์เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ กระแสชั่วขณะสูงที่จำเป็นในการชาร์จและคายประจุความจุเกตอาจเกินความสามารถในการรับกระแสของอุปกรณ์ควบคุม^{[ 4 ]}

ตัวขับเกตทำหน้าที่ขยายกระแสและบัฟเฟอร์ทางไฟฟ้าระหว่างวงจรควบคุมกับอุปกรณ์กำลัง ซึ่งช่วยให้สามารถชาร์จและคายประจุความจุเกตได้อย่างรวดเร็ว ลดการสูญเสียจากการสวิตช์ และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบโดยรวม^{[ 5 ]}

ในโทโพโลยีตัวแปลงแบบฮาล์ฟบริดจ์และฟูลบริดจ์ มักใช้ MOSFET หรือ IGBT แบบ N-channel ทั้งด้านต่ำและด้านสูง เนื่องจากมีการสูญเสียการนำไฟฟ้าน้อยกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบ P-channel ^{[ 7 ]}อย่างไรก็ตาม การขับเคลื่อนอุปกรณ์ N-channel ด้านสูงต้องใช้แรงดันเกตที่สูงกว่าศักย์แหล่งกำเนิดหลายโวลต์

เทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการขับเกตด้านสูงคือวิธีบูตสแตรป^{[ 8 ]}เมื่ออุปกรณ์ด้านต่ำทำงานและโหนดสวิตช์อยู่ใกล้ศักย์กราวด์ ตัวเก็บประจุบูตสแตรปจะถูกชาร์จผ่านไดโอดจากแหล่งจ่ายแรงดันต่ำ เมื่ออุปกรณ์ด้านสูงเปิดใช้งาน ประจุที่เก็บไว้จะทำให้แรงดันเกตสูงกว่าศักย์แหล่งกำเนิด ทำให้เกิดการนำไฟฟ้า

เทคนิคบูตสแตรปช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้แหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากสำหรับไดรเวอร์ด้านสูงและทำให้การใช้งานวงจรง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการสลับเป็นระยะเพื่อรีเฟรชตัวเก็บประจุบูตสแตรป และโดยทั่วไปไม่เหมาะสำหรับการทำงานต่อเนื่องที่รอบการทำงาน 100% โดยไม่มีวงจรเพิ่มเติม^{[ 8 ]}

วงจรรวมไดรเวอร์เกตสมัยใหม่มักจะรวมคุณสมบัติการป้องกันและการควบคุมเพิ่มเติม เช่น การแยกทางไฟฟ้า วงจรแคลมป์มิลเลอร์เพื่อป้องกันการเปิดผิดพลาดที่เกิดจากแรงดันสูงการป้องกันการปิดแบบนุ่มนวล การตรวจจับการอิ่มตัวเพื่อป้องกัน IGBT ความสามารถในการไบแอสเกตเชิงลบ และเอาต์พุตแหล่งกำเนิดและซิงค์แยกกันเพื่อการควบคุมการเปลี่ยนผ่านสวิตช์อย่างอิสระ^{[ 4 ]}${\displaystyle dv/dt}$

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แกปกว้าง เช่น MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และ HEMT แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ต้องใช้การออกแบบไดรเวอร์เกตแบบพิเศษเนื่องจากความเร็วในการสวิตช์สูง แรงดันเกณฑ์เกตที่สูงขึ้น (ซึ่งอาจเกิน 100 V/ns) และความคลาดเคลื่อนของแรงดันเกตที่เข้มงวดมากขึ้น^{[ 9 ]}${\displaystyle dv/dt}$

• ไอซีไดร์เวอร์เกตสำหรับ IGBT และ MOSFET
• ตัวขับเกต MOSFET กำลังสูง