Stworzenie wysokowydajnego obwodu napędu bramki jest wyzwaniem dla inżynierów elektroniki mocy. Istnieje kilka podstawowych czynników, które należy rozważyć podczas projektowania obwodu. Pierwszym z nich jest impedancja napędu. Prąd bramki jest definiowany przez napięcie na impedancji wyjściowej drivera. Jest on następnie równoważony przez di/dt drenu. Kondensator CGD również ogranicza dv/dt.
Jeśli prąd bramki nie jest prawidłowo zbalansowany, może zostać wtłoczony do zacisków dren-źródło przełącznika zasilania. Może to prowadzić do takich problemów jak odbicie od ziemi i pasożytnicza indukcyjność. W takich sytuacjach należy skrócić czas wyłączenia, co zwykle osiąga się poprzez zastosowanie diody. Niezbędny jest też ujemny bias. Dzięki temu sterownik może pracować zgodnie z oczekiwaniami.
Kolejnym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu obwodu napędu bramki jest dv/dt. Naturalna granica dv/dt dla MOSFET-a jest wyższa niż dla obwodu rezonansowego. Dzieje się tak dlatego, że napięcie bramka-źródło spada razem z bramką. Powoduje to, że dioda gate-to-source pomaga coraz mniej, w miarę jak napięcie gate-to-source zbliża się do 0 V. W takim przypadku dv/dt urządzenia jest równe dv/dt indukcyjności źródła. Jednak w niektórych przypadkach napięcie kondensatora CGD musi być nieznacznie zmniejszane w miarę wzrostu napięcia bramki. Zjawisko to nazywane jest efektem Millera.
Efekt Millera może być złagodzony poprzez zastosowanie ujemnego napięcia bramki. Wadą tego typu konstrukcji jest to, że indukcyjność źródła staje się bardzo duża, co może ściągnąć pin wyjściowy drivera poniżej masy. Może to spowodować dzwonienie w przebiegu napędu bramki i wolniejszą prędkość przełączania. Rozwiązaniem jest zmniejszenie pasożytniczej indukcyjności i zwiększenie napięcia źródła.
Istnieją dwa rodzaje ujemnych napędów bramek: Urządzenia GaN oraz IGBT. Wymagania dotyczące napięcia bramki dla tych urządzeń są niezwykle wyśrubowane. Oznacza to, że projektanci muszą uwzględnić znaczne ujemne napięcie biasu bramki podczas oceny MOSFET-a.
Innym czynnikiem, który należy rozważyć przy projektowaniu napędu bramki jest dv/dt wyłączenia. W większości konwerterów z miękkim przełączaniem i konwerterów rezonansowych, dv/dt jest wtłaczane do głównego przełącznika, gdy ten jest wyłączony. Jest to szczególnie prawdziwe w drugim i trzecim przedziale czasowym włączania. Celem jest utrzymanie napięcia bramka-źródło poniżej pewnego progu. Wymaga to zastosowania diody zaciskającej węzeł przełączający do GND, gdy źródło spada.
Wyjście sterownika IC jest zasilane przez sumę napięć V1 i V2. Jest to rozwiązanie podobne do sterownika bezpośredniego z odniesieniem do ziemi dla urządzeń N-kanałowych. Jednak izolowane sterowniki bramek pozwalają na wyraźne bipolarne napędy napięciowe. Tego typu sterowniki bramek są często używane w aplikacjach szybkiego przełączania.
Podczas projektowania napędu bramki, di/dt jest w dużej mierze ograniczone przez wewnętrzną rezystancję bramki i kondensator CGD. Dla większości aplikacji, średnia dv/dt jest zwykle w zakresie dziesiątek miliamperów. Wynika to z faktu, że pojemność CGD działa jak naturalne ograniczenie dv/dt. Niemniej jednak, może ona zostać przekroczona w przypadku zastosowania urządzenia o niskiej dv/dt, takiego jak krzemowy MOSFET. Można to złagodzić poprzez dodanie dodatkowego elementu odsprzęgającego pomiędzy VDD a GND.
Podobne tematy