使用柵極電阻控制IGBT的開關(guān)

1 前言

用于控制、調(diào)節(jié)和開關(guān)目的的功率半導(dǎo)體器件需要更高的電壓和更大的電流。功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)動作受柵極電容的充放電控制。而柵極電容的充放電通常又受柵極電阻的控制。通過使用典型的+15V控制電壓（VG(on)），IGBT導(dǎo)通，負(fù)輸出電壓為-5V～-15V時，IGBT關(guān)斷。IGBT的動態(tài)性能可通過柵極電阻值來調(diào)節(jié)。柵極電阻影響IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗及各種其他參數(shù)，從電磁干擾EMI到電壓和電流的變化率。因此，柵極電阻必須根據(jù)具體應(yīng)用的參數(shù)非常仔細(xì)地選擇和優(yōu)化。

2 柵極電阻RG對IGBT開關(guān)特性的影響

IGBT開關(guān)特性的設(shè)定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT的輸入電容在開關(guān)期間是變化的，必須被充放電，柵極電阻通過限制導(dǎo)通和關(guān)斷期間柵極電流（IG）脈沖的幅值來決定充放電時間（見圖1）。由于柵極峰值電流的增加，導(dǎo)通和關(guān)斷的時間將會縮短且開關(guān)損耗也會減少。減小RG(on)和RG(off)的阻值會增大柵極峰值電流。當(dāng)減小柵極電阻的阻值時，需要考慮的是當(dāng)大電流被過快地切換時所產(chǎn)生的電流上升率di/dt。電路中存在雜散電感在IGBT上產(chǎn)生大的電壓尖峰，這一效果可在圖2所示的IGBT關(guān)斷時波形圖中觀察到。圖中的陰影部分顯示了關(guān)斷損耗的相對值。集電極-發(fā)射極電壓上的瞬間電壓尖峰可能會損壞IGBT，特別是在短路關(guān)斷操作的情況下，因?yàn)閐i/dt比較大?？赏ㄟ^增加?xùn)艠O電阻的值來減小Vstray。因此，消除了由于過電壓而帶來的IGBT被損毀的風(fēng)險?？焖俚膶?dǎo)通和關(guān)斷會分別帶來較高的dv/dt和di/dt，因此會產(chǎn)生更多的電磁干擾（EMI），從而可能導(dǎo)致電路故障。表1顯示不同的柵極電阻值對di/dt的影響。

圖1 導(dǎo)通、關(guān)斷/柵極電流

圖2 IGBT關(guān)斷

表1 變化率/特性

3 對續(xù)流二極管開關(guān)特性的影響

續(xù)流二極管的開關(guān)特性也受柵極電阻的影響，并限制柵極阻抗的最小值。這意味著IGBT的導(dǎo)通開關(guān)速度只能提高到一個與所用續(xù)流二極管反向恢復(fù)特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過電壓應(yīng)力，而且由于IGBT模塊中diC/dt的增大，也增大了續(xù)流二極管的過壓極限。通過使用特殊設(shè)計(jì)和優(yōu)化的帶軟恢復(fù)功能的CAL（可控軸向壽命）二極管，使得反向峰值電流減小，從而使橋路中IGBT的導(dǎo)通電流減小。

4 驅(qū)動器輸出級的設(shè)計(jì)

柵極驅(qū)動電路的驅(qū)動器輸出級是一種典型的設(shè)計(jì)，采用了兩個按圖騰柱形式配置的MOSFET，如圖3所示。兩個MOSFET的柵極由相同的信號驅(qū)動。當(dāng)信號為高電平時，N通道MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)信號為低電平時，P通道MOSFET導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了兩個器件推挽輸出的配置。MOSFET的輸出級可有一路或兩路輸出。據(jù)此可實(shí)現(xiàn)具有一個或兩個柵極電阻（導(dǎo)通，關(guān)斷）的用于對稱或不對稱柵極控制的解決方案。

圖3 RG(on)/RG(off)的連接

5 柵極電阻的計(jì)算

對于低開關(guān)損耗，無IGBT模塊振蕩，低二極管反向恢復(fù)峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現(xiàn)出最佳的開關(guān)特性。通常在應(yīng)用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅(qū)動；同樣的，額定電流小的IGBT模塊，將需要較大的柵極電阻。也就是說，IGBT數(shù)據(jù)手冊中所給的電阻值必須為每個設(shè)計(jì)而優(yōu)化。IGBT數(shù)據(jù)手冊指定了柵極電阻值。然而，最優(yōu)的柵極電阻值一般介于數(shù)據(jù)手冊所列值和其兩倍之間。IGBT數(shù)據(jù)手冊中所指定的值是最小值。在指定條件下，兩倍于額定電流可被安全地關(guān)斷。在實(shí)際中，由于測試電路和各個應(yīng)用參數(shù)的差異，IGBT數(shù)據(jù)手冊中的柵極電阻值往往不一定是最佳值。上面提到的大概的電阻值（即兩倍的數(shù)據(jù)表值）可被作為優(yōu)化的起點(diǎn)，以相應(yīng)地減少柵級電阻值。確定最優(yōu)值的唯一途徑是測試和衡量最終系統(tǒng)，使應(yīng)用中的寄生電感最小很重要。這對于保持IGBT的關(guān)斷過電壓在數(shù)據(jù)手冊的指定范圍內(nèi)是必要的，特別是在短路情況下。柵極電阻決定柵極峰值電流IGM。增大柵極峰值電流將減少導(dǎo)通和關(guān)斷時間，以及開關(guān)損耗。柵極峰值電流的最大值和柵極電阻的最小值分別由驅(qū)動器輸出級的性能決定。

6 設(shè)計(jì)、布局和疑難解答

為了能夠經(jīng)受住應(yīng)用中出現(xiàn)的大負(fù)載，柵極電阻必須滿足一定的性能要求并具有一定的特性。由于柵極電阻上的大負(fù)載，建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產(chǎn)生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時運(yùn)行，但開關(guān)損耗較大。選擇錯誤的柵極電阻，可能會導(dǎo)致問題和不希望的結(jié)果。所選的柵極電阻值太大，將導(dǎo)致?lián)p耗過大，應(yīng)減小柵極電阻值。過高的柵極電阻值可能會導(dǎo)致IGBT在開關(guān)期間長時間運(yùn)行在線性模式下，最終導(dǎo)致柵極振蕩。然而，萬一電阻的功耗和峰值功率能力不夠，或者使用了非防浪涌電阻，都會導(dǎo)致柵極電阻過熱或燒毀。運(yùn)行期間，柵極電阻不得不承受連續(xù)的脈沖電流，因此，柵極電阻必須具有一定的峰值功率能力。使用非常小的柵極電阻，會帶來更高的dv/dt 或di/dt，但也可能會導(dǎo)致EMI噪聲。

應(yīng)用（直流環(huán)節(jié)）中的電感過大或者使用的柵極電阻小，將導(dǎo)致更大的di/dt，從而產(chǎn)生過大的IGBT電壓尖峰。因此，應(yīng)盡量減小電感或者增大柵極電阻值。為減小短路時的電壓尖峰，可使用軟關(guān)斷電路，它可以更緩慢地關(guān)斷IGBT。柵極電阻和IGBT模塊之間的距離應(yīng)盡可能短。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線過長，將會在柵極-發(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感。結(jié)合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個LC振蕩電路?？珊唵蔚赝ㄟ^縮短連線或者用比最小柵極電阻值RG(min)≥2√Lwire/Cies大的柵極電阻來衰減這種振蕩。