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1 前言 用于控制、調節和開(kāi)關(guān)目的的功率半導體器件需要更高的電壓和更大的電流。功率半導體器件的開(kāi)關(guān)動(dòng)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(guò)使用典型的+15V控制電壓（VG(on)），IGBT導通，負輸出電壓為-5V～-15V時(shí)，IGBT關(guān)斷。IGBT的動(dòng)態(tài)性能可通過(guò)柵極電阻值來(lái)調節。柵極電阻影響IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗及各種其他參數，從電磁干擾EMI到電壓和電流的變化率。因此，柵極電阻必須根據具體應用的參數非常仔細地選擇和優(yōu)化。 2 柵極電阻RG對IGBT開(kāi)關(guān)特性的影響 IGBT開(kāi)關(guān)特性的設定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT的輸入電容在開(kāi)關(guān)期間是變化的，必須被充放電，柵極電阻通過(guò)限制導通和關(guān)斷期間柵極電流（IG）脈沖的幅值來(lái)決定充放電時(shí)間（見(jiàn)圖1）。由于柵極峰值電流的增加，導通和關(guān)斷的時(shí)間將會(huì )縮短且開(kāi)關(guān)損耗也會(huì )減少。減小RG(on)和RG(off)的阻值會(huì )增大柵極峰值電流。當減小柵極電阻的阻值時(shí)，需要考慮的是當大電流被過(guò)快地切換時(shí)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(shí)波形圖中觀(guān)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(huì )損壞IGBT，特別是在短路關(guān)斷操作的情況下，因為di/dt比較大�？赏ㄟ^(guò)增加柵極電阻的值來(lái)減小Vstray。因此，消除了由于過(guò)電壓而帶來(lái)的IGBT被損毀的風(fēng)險�？焖俚膶ê完P(guān)斷會(huì )分別帶來(lái)較高的dv/dt和di/dt，因此會(huì )產(chǎn)生更多的電磁干擾（EMI），從而可能導致電路故障。表1顯示不同的柵極電阻值對di/dt的影響。 圖1 導通、關(guān)斷/柵極電流 圖2 IGBT關(guān)斷 表1 變化率/特性 3 對續流二極管開(kāi)關(guān)特性的影響 續流二極管的開(kāi)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(zhù)IGBT的導通開(kāi)關(guān)速度只能提高到一個(gè)與所用續流二極管反向恢復特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過(guò)電壓應力，而且由于IGBT模塊中diC/dt的增大，也增大了續流二極管的過(guò)壓極限。通過(guò)使用特殊設計和優(yōu)化的帶軟恢復功能的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的導通電流減小。 4 驅動(dòng)器輸出級的設計 柵極驅動(dòng)電路的驅動(dòng)器輸出級是一種典型的設計，采用了兩個(gè)按圖騰柱形式配置的MOSFET，如圖3所示。兩個(gè)MOSFET的柵極由相同的信號驅動(dòng)。當信號為高電平時(shí)，N通道MOSFET導通，當信號為低電平時(shí)，P通道MOSFET導通，從而產(chǎn)生了兩個(gè)器件推挽輸出的配置。MOSFET的輸出級可有一路或兩路輸出。據此可實(shí)現具有一個(gè)或兩個(gè)柵極電阻（導通，關(guān)斷）的用于對稱(chēng)或不對稱(chēng)柵極控制的解決方案。 圖3 RG(on)/RG(off)的連接 5 柵極電阻的計算 對于低開(kāi)關(guān)損耗，無(wú)IGBT模塊振蕩，低二極管反向恢復峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現出最佳的開(kāi)關(guān)特性。通常在應用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅動(dòng)；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(shuō)，IGBT數據手冊中所給的電阻值必須為每個(gè)設計而優(yōu)化。IGBT數據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據手冊所列值和其兩倍之間。IGBT數據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(gè)應用參數的差異，IGBT數據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（即兩倍的數據表值）可被作為優(yōu)化的起點(diǎn)，以相應地減少柵級電阻值。確定最優(yōu)值的唯一途徑是測試和衡量最終系統，使應用中的寄生電感最小很重要。這對于保持IGBT的關(guān)斷過(guò)電壓在數據手冊的指定范圍內是必要的，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通和關(guān)斷時(shí)間，以及開(kāi)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動(dòng)器輸出級的性能決定。 6 設計、布局和疑難解答 為了能夠經(jīng)受住應用中出現的大負載，柵極電阻必須滿(mǎn)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載，建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產(chǎn)生一個(gè)冗余，如果一個(gè)柵極電阻損壞，系統可臨時(shí)運行，但開(kāi)關(guān)損耗較大。選擇錯誤的柵極電阻，可能會(huì )導致問(wèn)題和不希望的結果。所選的柵極電阻值太大，將導致?lián)p耗過(guò)大，應減小柵極電阻值。過(guò)高的柵極電阻值可能會(huì )導致IGBT在開(kāi)關(guān)期間長(cháng)時(shí)間運行在線(xiàn)性模式下，最終導致柵極振蕩。然而，萬(wàn)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(huì )導致柵極電阻過(guò)熱或燒毀。運行期間，柵極電阻不得不承受連續的脈沖電流，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(huì )帶來(lái)更高的dv/dt 或di/dt，但也可能會(huì )導致EMI噪聲。 應用（直流環(huán)節）中的電感過(guò)大或者使用的柵極電阻小，將導致更大的di/dt，從而產(chǎn)生過(guò)大的IGBT電壓尖峰。因此，應盡量減小電感或者增大柵極電阻值。為減小短路時(shí)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模塊之間的距離應盡可能短。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線(xiàn)過(guò)長(cháng)，將會(huì )在柵極-發(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感。結合IGBT的輸入電容，該線(xiàn)路電感將形成一個(gè)LC振蕩電路�？珊�(jiǎn)單地通過(guò)縮短連線(xiàn)或者用比最小柵極電阻值RG(min)≥2√Lwire/Cies大的柵極電阻來(lái)衰減這種振蕩。 |
