在现代汽车电子系统中，栅极驱动正悄然扮演着“隐形英雄”的角色。
每一个功率器件背后都有着至少一颗栅极驱动芯片。作为连接低压控制器与高功率电路的桥梁，栅极驱动不仅是功率器件高效运行的“指挥官”，更是提升电动汽车性能、可靠性和能效的关键推手。无论是电机驱动、车载充电器，还是逆变器和辅助系统，栅极驱动器都默默发挥着不可替代的作用。
随着新能源汽车向800V电气架构的快速转型，以及碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等第三代半导体技术的普及，栅极驱动的性能需求被推向了新的高度。它不仅要提供强大的驱动电流，确保功率器件的快速切换，还需具备卓越的抗干扰能力、耐压性能和隔离保护功能，以应对复杂多变的汽车运行环境。
这颗小小的芯片如何驱动汽车电子领域的革命性变革，背后有什么技术值得关注，市场主要玩家情况又如何？接下来让我们详细分析。
何谓栅极驱动
栅极驱动芯片（Gate Driver IC）是一种用于控制半导体功率器件（如MOSFET、IGBT、SiC MOSFET、GaN HEMT等）开关速度和时间的集成电路。其主要功能是放大控制信号，提供足够的电流对功率器件的栅极进行快速充放电，从而实现高速开关，减少开关过程中的能量损失，并保护控制器件免受过高电压或电流的损害。
在开关模式电源系统中，栅极驱动器用于控制电源开关（如功率MOSFET和IGBT）的ON和OFF状态。理想情况下，这些开关在高频率下运行时功耗为零。开关模式电源通常运行在基于控制器的闭环电源拓扑中，通过控制栅极的ON/OFF状态来调节电压和电流。
以功率MOSFET为例，栅极（GATE）端子控制其ON/OFF状态，具体工作原理如下：
开启（ON）：施加正电压，使栅极与源极之间的电压（VGS）高于阈值电平。
关闭（OFF）：降低VGS至低于阈值电平。
栅极是一个高阻抗的电容输入端，包含MOSFET内部结构中的两个寄生电容（CGS和CGD）。
栅极驱动器的作用是充当功率放大器，接收来自控制器IC的低功率输入信号，并生成足够的大电流驱动信号，以快速接通或关断功率MOSFET。这种设计不仅提高了开关效率，还增强了系统的可靠性和安全性。
在汽车领域，栅极驱动器芯片主要应用于电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的电机驱动系统。例如，在车载充电器（OBC）和高压直流-直流转换器（DC-DC）中，栅极驱动器芯片用于驱动MOSFET或IGBT等功率器件，以实现高效的电能转换和传输。此外，它还广泛应用于电动汽车的空调系统、电动助力转向系统（EPS）和电子刹车系统等辅助设备中，显著提升了系统的可靠性和能效。
栅极驱动的不同划分方式
栅极驱动有很多划分方法，按照产品隔离与否，可以分为隔离驱动器和非隔离驱动器：隔离驱动没有隔离安规认证，高边与低边之间采用 PN 结隔离或单边电容隔离工艺，可以满足功能隔离需求。
隔离驱动又细分为三类——光耦隔离、磁耦隔离和容耦隔离。光耦隔离电压比较高，具有对外部电子或磁场的抗扰性，恒定信息传输能力好，不足是速度限制、功耗和老化。磁隔离的优点是速度高，可以给隔离端供电，但传统变压器体积较大。近年来，采用芯片级变压器的磁隔离崭露头角。容耦采用高频信号调制解调以电场形式将输入信号通过电容隔离后传输出去，信号跟随特性好，抗EMI干扰能力也很好；与光耦相比，其传输时延短，器件一致性好，寿命长。容耦的不足在于低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，且在IC中集成大容量电容很困难。
隔离器件允许数据和电力在高压和低压单元之间传输，同时防止危险的直流电或不受控制的瞬态电流从电网中流出。例如，雷击时，隔离可以打破高能量流电路中形成的接地环路。电流隔离是针对巨大电位差提供保护的一种有效方法。
隔离驱动器与非隔离栅极驱动器在功能上相似，关键参数包括传播延迟、共模瞬态抗扰度（CMTI）、上升/下降时间、最大驱动器侧电源电压、UVLO、通道间延迟、保护方案、死区时间控制和启用/禁用特性。其中，CMTI是隔离式栅极驱动器的重要参数，尤其在较高开关频率下运行时更为关键。CMTI表示驱动器IC中的隔离器能够承受两个接地端之间的高压摆率电压瞬变而不破坏信号传输的能力。高CMTI意味着驱动器适用于高开关频率应用。随着氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽带隙开关的出现，CMTI可能成为隔离式栅极驱动器最重要的参数之一。
按照集成与否，栅极驱动分为两种方案形式：一种是传统的分立式栅极驱动器解决方案；另一种是集成式栅极驱动IC解决方案，这种方案有助于降低设计复杂度，缩短开发时间，节省材料消耗（BOM）及电路板空间，提高可靠性。
按照不同侧，栅极驱动分为低侧驱动和高侧驱动：低侧驱动器连接在功率器件的栅极和地之间，主要用于驱动低侧器件，结构较为简单。在低侧驱动器中，控制信号直接驱动栅极，适合用于直流/交流电机驱动等应用；高侧驱动器用于驱动上方的功率器件，通常需要较为复杂的电路设计，因为高侧驱动器的电源可能会随功率器件的工作状态变化。高侧驱动器通常利用浮动电源或通过bootstrap电路提供栅极所需的高电压。
按照材料，栅极驱动分为硅基和第三代半导体两类：SiC（碳化硅）和GaN（氮化镓）功率器件的驱动需求与传统硅基功率器件存在显著差异，SiC/GaN驱动不仅对驱动或隔离本身的参数要求更高，还需要支持更多功能，例如在特定敏感工况下的一对一保护功能，以满足其高性能和高可靠性的应用需求。
根据复杂程度和系统需求，栅极驱动器分为三类：第一类是简单栅极驱动器；第二类是监控栅极驱动器；第三类是可编程栅极驱动器。
栅极驱动的关键参数
栅极驱动器作为连接逻辑控制电路与功率器件的重要桥梁，其性能直接影响系统的效率、稳定性和安全性。对工程师来说，以下几个关键参数值得关注：
1. 驱动电流与驱动能力
驱动电流是栅极驱动器的核心指标之一，它决定了驱动器的驱动能力。结合外部驱动电阻，驱动电流直接影响功率器件的开关时间和开关损耗，进而影响系统的效率和电磁干扰（EMI）水平。功率器件的栅极电容需要快速充放电以实现高效切换，而微控制器的I/O引脚通常无法提供足够的电流。栅极驱动器通过提供高瞬变电流，显著缩短切换时间，降低功耗。此外，驱动器的漏源导通电阻（RDS(ON)）也影响驱动电流和系统效率，较低的RDS(ON)有助于减少驱动器内部功耗，提升整体性能。
2.电源耐压值与欠压保护
栅极驱动器的电源耐压值和欠压保护点是其可靠性的重要保障。不同功率器件对驱动电压的要求不同，尤其是第三代半导体器件（如SiC和GaN），其系统噪声和电源波动更大，可能产生较高的过压尖峰。因此，栅极驱动器需要具备更高的耐压能力，以覆盖更广泛的应用场景并降低电气过应力（EOS）风险。同时，欠压保护点的设置也至关重要。如果欠压点过低，可能导致功率器件无法正确关断，进而引发过热或故障。
3. 抗干扰能力与CMTI
共模瞬态抗扰度（CMTI）是衡量栅极驱动器抗干扰能力的关键指标。随着第三代半导体器件的普及，系统的开关速度和母线电压显著提高，导致更大的dv/dt（电压变化率）。因此，栅极驱动器需要具备更强的抗共模干扰能力，即更高的CMTI值，以确保在高噪声环境下稳定运行。此外，电磁干扰（EMI）和射频干扰（RF）抗扰度也是栅极驱动器的重要特性，能够有效抑制高频开关电路产生的噪声，保障系统稳定性。
4. 隔离与非隔离设计及拓扑类型
栅极驱动器可分为隔离式和非隔离式，其选择取决于具体应用场景。隔离式驱动器在封装、爬电距离和耐压能力方面有更高要求，适用于高电压、大电流的场合，如电机驱动的半桥电路。隔离设计不仅能防止高压侧故障传导至用户端，满足安全认证要求，还能简化高端晶体管的驱动电路设计。此外，拓扑类型（如半桥拓扑、低边拓扑）也会影响驱动器的功能需求。例如，半桥拓扑需要关注是否集成自举二极管、上下桥互锁或死区时间可调等参数。
5. 时序参数与系统效率
时序参数（如传播延迟、上升/下降时间、脉宽失真和传播延迟偏斜）对栅极驱动器的性能至关重要。较低的传播延迟偏斜有助于减少死区时间，提升系统效率和稳定性。在半桥配置中，较长的死区时间可能导致效率下降，因此优化时序参数是实现高效运行的关键。
各厂商在汽车领域的产线
在汽车领域，栅极驱动器的市场竞争日益激烈，主要玩家包括德州仪器（TI）、英飞凌（Infineon）、意法半导体（STMicroelectronics）、亚德诺半导体（ADI）、罗姆（Rohm）、瑞萨（Renasas）、恩智浦（NXP）、安森美（ON Semiconductor）、Semtech、三菱等国际巨头，以及纳芯微、荣湃等国内企业。这些厂商在技术创新和市场布局上不断取得新进展。
TI
TI 的各种栅极驱动器为驱动 MOSFET、IGBT、SiC 和 GaN 等高功率开关技术提供了解决方案。TI的栅极驱动器采用以下配置：非隔离式低侧栅极驱动器、非隔离式半桥栅极驱动器、隔离式栅极驱动器。TI 的栅极驱动器通过降低开关损耗、提高系统的抗噪能力以及提高系统密度来实现高效、可靠的设计，从而最大限度地发挥设计的潜力。
值得一提的是，TI此前推出的SiC栅极驱动器UCC5880-Q1，可将续航延长1600公里/年。针对GaN器件，德州仪器的GaN芯片集成了栅极驱动器，并配备了监测和保护电路，结合MCU配置可直接驱动与功率级集成的区域。此外，基于GaN的智能功率模块（IPM）将驱动马达所需的GaN栅极驱动器与三对桥臂集成在一个模块中，提供了高度集成的解决方案。
ADI
ADI旗下独有的iCoupler数字隔离技术是ADI的看家本领，该技术诞生于世纪初期，iCoupler一路跟随应用创新而不断升级迭代，而今的边缘智能设备比以往任何时候都更需要更高级别的安全性和数据完整性，高性能和敏感型电子系统也越来越多，每次设计时都必须考虑数字隔离的应用，未来隔离依然会朝向更高耐压、更快传输速度以及更高集成度发展。ADI继续将iCoupler 技术嵌入高度集成的解决方案中，这些解决方案可组合并简化高度复杂的边缘智能应用的信号链。
此外， ADI公司在去年还推出了一款100V半桥GaN驱动器。LT8418包括独立且TTL兼容的顶部和底部驱动器级、驱动器逻辑控制以及欠压和过压闭锁等保护功能。逻辑控制使得设计人员能配置和控制GaN驱动器的行为，从而优化特定应用的性能。它支持具有0.6 Ω上拉电阻和0.2Ω下拉电阻的拉电流/灌电流能力。此外，它还集成了一个智能自举开关，以产生具有最小压降的平衡自举电压，这对于高侧栅极驱动器正常工作至关重要。
NXP
在电动汽车开发中，牵引逆变器是最为关键的课题之一。想要在提升逆变器功能和性能的同时，进一步减小电路板面积和降低BOM成本，需要在高压栅极驱动器上做文章。为此，恩智浦推出了一系列栅极驱动器产品组合，它们实现了智能化并允许编程，不仅可以在恶劣的运行条件下保护SiC或IGBT功率器件，还可以提高系统效率，缩短故障检测/反应时间，满足功能安全要求，并简化BOM和系统设计复杂性。其中，最新一代高压栅极驱动器GD316x是其在汽车领域的主推产品。
恩智浦也很关注800V SiC这一话题。去年在6月宣布与电动汽车领域领先企业采埃孚股份公司（ZF Friedrichshafen AG）合作下一代基于SiC的电动汽车（EV）牵引逆变器解决方案。解决方案采用恩智浦先进的GD316x高压（HV）隔离栅极驱动器，旨在加速800V和SiC功率器件的采用。GD316x产品系列支持实现安全、高效且性能更高的牵引逆变器，从而可以延长电动汽车的续航里程、减少充电次数，同时降低OEM的系统级成本。
英飞凌
英飞凌提供广泛的EiceDRIVER栅极驱动IC产品组合，它们具有不同的结构类型、电压等级、隔离级别、保护功能和封装选项。EiceDRIVER栅极驱动IC与英飞凌IGBT分立式器件和模块、硅MOS-FET（CoolMOS、OptiMOS和StrongIRFET）和碳化硅MOSFET（CoolSiC）、氮化镓HEMT（CoolGaN）完美互补，或者作为集成功率模块（CIPOS IPM和iMOTION smart IPM）的一部分。此外，MOTIX栅极驱动芯片是用于低压电机控制解决方案的 MOTIX可扩展产品组合的一部分，包括 MOTIX驱动器、MOTIX桥、MOTIX SBC和MOTIX MCU。
英飞凌的汽车栅极驱动有内置保护和诊断功能，适用于汽车应用中的应用12 V至1200 V的MOSFET、IGBT和SiC，有助于满足ISO 26262功能安全要求。
去年年底，英飞凌推出用于电动汽车的新型栅极驱动器——EiceDRIVER系列新增了用于电动汽车的隔离式栅极驱动器IC。这些器件采用最新的IGBT和SiC技术，还支持英飞凌的新型HybridPACK Drive G2 Fusion模块，这是首款将英飞凌硅和SiC技术相结合的即插即用功率模块。
预配置的第三代EiceDRIVER产品1EDI302xAS（IGBT）和1EDI303xAS（SiC/ Fusion）符合AEC和ISO 26262标准，适用于经济高效、高性能xEV平台中的牵引逆变器。1EDI3025AS、1EDI3026AS和1EDI3035AS器件提供强大的20A输出级，可驱动高达300kW以上的所有功率等级的高性能逆变器。
ST
STDRIVE栅极驱动器是任何开关模式电源转换器中分立功率MOSFET和IGBT以及数字（微控制器、DSP和FPG）或模拟控制器的必要配套组件，能够生成必要的电压和电流值，精确、高效地激活工业、消费者、计算机和汽车应用中的功率级。借助适用于低压或高压（高达1500 V）应用的单桥、半桥和多通道驱动器等产品，意法半导体还提供了电流隔离栅极驱动器IC，满足安全和功能需求，系统级封装（SiP）解决方案集成了高边和低边栅极驱动器和基于MOSFET的功率级，符合更高集成度、更低开发成本的市场趋势。
去年12月，意法半导体 L99MH98 8通道栅极驱动引入专利技术，可构建没有电流检测电阻的直流电机驱动设计，从而降低耗散功率和物料成本。L99MH98 能够独立控制四路全桥预驱或八路半桥预驱或八路高边/低边预驱，适用于驱动电动座椅、天窗、侧滑门和电动尾门等直流电机应用。L99MH98内置电荷泵，可用于驱动反接保护 MOSFET。
ONsemi
安森美的电隔离栅极驱动器专为快速开关而设计，并集成了保护功能。安森美的SiC驱动器解决方案针对SiC应用进行了优化，集成了负偏压功能，无需外部元件。安森美的隔离栅极驱动器在生产阶段使用MPS测试仪（型号MSPS-20）进行隔离性能测试。安森美的电隔离栅极驱动器为 SiC MOSFET 提供了可靠的解决方案，适用于广泛的应用，包括汽车电动车、电动车充电、太阳能逆变器和云计算/服务器系统等。
安森美提供四款新发布的栅极驱动器：NCP51152/NCV51152/NCP51752/NCV51752。此外， 安森美还是高性能 SiC MOSFET 和栅极驱动器的集成供应商，拥有同类极佳 SiC MOSFET 器件的广泛产品组合以及与之配套的不断增长的优化栅极驱动器系列。
罗姆
罗姆重点关注以隔离型栅极驱动器为首的十大高附加值战略产品，实现了高于市场水平的销售额增长。罗姆拥有全球市场份额第一的隔离型栅极驱动器，可以提供与SiC功率模块相结合的解决方案。
PI
2022年，根据PI的介绍，SCALE EV是当时市场上首款唯一通过汽车级认证的栅极驱动板，内部集成了两个增强型栅极驱动通道、相关供电电源和监控遥测电路。它有助于厂商加快产品研发流程，简化产品认证时间。SCALE™ EV满足汽车级认证及ASIL安全要求，包括AEC Q100/101/200、ASIL-B 认证（ISO 26262），适用于ASIL-C/D牵引逆变器设计。
Power Integrations去年也出适用于额定电压高达1,700V的62mm SiC和IGBT模块的全新栅极驱动器系列，并具有改进的保护功能。新的栅极驱动器系列2SP0230T2x0包括双通道即插即用驱动器，具有增强型隔离功能，适用于两电平1,700V应用中的所有初级侧信号，以及用于三电平1,200V应用的初级绝缘。它们具有增强的短路保护功能，可防止过电流造成的损坏。
东芝
今年3月，东芝电子元件及存储装置株式会社（“东芝”）宣布，量产面向车载直流有刷电机应用的栅极驱动IC——“TB9103FTG”，其典型应用包括用于电动后门和电动滑门的闩锁电机和锁定电机，以及电动车窗和电动座椅的驱动电机等。
汽车部件现已基本实现电气化，电机的需求以及在汽车中集成的电机数量都在增加。随着电动机中使用的驱动IC数量的增加，人们更倾向采用高集成度和小型化的系统解决方案。此外，有些电机应用不需要控制转速，只需具有简单功能和性能的驱动IC。TB9103FTG为此而生，可为无需控制速度的直流有刷电机提供优化的栅极驱动IC功能和性能，为实现更紧凑设计开辟了道路。
全新IC既可用作单通道H桥，也可用作双通道半桥。除了作为电机驱动IC外，它还能与外部MOSFET结合，替代机械式继电器以及其它机械开关，有助于实现更安静的运行以及更高的设备可靠性。
纳芯微
迄今为止，纳芯微推出的每一款驱动芯片都在市场上反响很好，特别是在隔离驱动和隔离智能驱动领域。比如NSI6602V系列广泛应用于电源、OBC/DCDC、空压机、PTC等，而NSI6611A/NSI6651A则是电驱动领域的明星产品，以其优异的品质，快速占领市场份额。此外，新一代隔离智能驱动NSI67xx和带功能安全特性的驱动NSI6911系列也即将发布。
汽车对栅极驱动有着明确的要求，如效率、可靠性、安全性等，纳芯微在汽车领域倾注了大量心血，凡是汽车所用的驱动都有所布局，同时也在国内汽车栅极驱动领域占据了第一的市场份额。典型产品包括NSI6602x-Q1，NSI6601x-Q1，NSI6611-Q1，NSI6651-Q1，NSD1026V-Q1，NSD1624-Q1等。
荣湃
新能源汽车向800V电气架构的转型已成为行业重要趋势，供应链企业正积极布局相关零部件。电机控制器作为新能源汽车的核心部件，负责控制电机运转，而栅极驱动器则是其中的关键元件。栅极隔离驱动技术显著提升了电动汽车的能效和系统稳定性，同时也对栅极驱动器的性能提出了更高要求，包括快速响应能力、隔离耐压性能、可靠性和稳定性。
荣湃最新推出的Pai8265xx系列单通道栅极驱动器，基于电容隔离技术，集成多种保护功能，适用于驱动SiC、IGBT和MOSFET等功率器件。该产品采用荣湃独有的iDivider®技术，具备强驱动能力、出色的动态性能和高可靠性，支持分离输出、隔离采样及故障报警等功能，符合车规（AEC-Q100）标准，广泛应用于新能源汽车、电机、电源及光伏等领域。
总结
从目前汽车的发展来看，栅极驱动器将继续向高集成度、智能化、绿色化方向发展。随着新材料（如SiC和GaN）和先进封装技术的应用，栅极驱动器将在汽车领域发挥更大作用，推动电子系统向更高性能、更高可靠性迈进。