淺析柵極電阻RG對IGBT開(kāi)關(guān)特性的性能影響

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