功率逆變器應用采用寬帶隙半導體器件時(shí)，柵極電阻選型注意事項

本文為大家介紹氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導體器件用作電子開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢，以及如何權衡利弊。主要權衡因素之一是開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)損耗會(huì )被高 di/dt 和 dv/dt 放大，造成電路噪聲。為了減少電路噪聲，需要認真考慮柵極電阻的選擇，從而不必延長(cháng)死區時(shí)間而造成功率損耗。本文介紹選擇柵極電阻時(shí)的考慮因素，如脈沖功率、脈沖時(shí)間和溫度、穩定性、寄生電感等。同時(shí)，將和大家探討不同類(lèi)型的柵極電阻及其在該應用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

寬帶隙半導體器件的優(yōu)勢

設計出色功效的電子應用時(shí)，需要考慮使用新型高性能氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術(shù)的器件。與電子開(kāi)關(guān)使用的傳統硅解決方案相比，這些新型寬帶隙技術(shù)具有祼片外形尺寸小、導熱和熱管理性能優(yōu)異、開(kāi)關(guān)損耗低等顯著(zhù)優(yōu)勢，非常適合工業(yè)、醫療、通信和車(chē)載應用電源、驅動(dòng)器和逆變器等空間受限的應用。

不過(guò)，設計需要考慮一些利弊關(guān)系，特別是開(kāi)關(guān)損耗。例如，di/dt 和 dv/dt 提高，開(kāi)關(guān)速度加快，電路頻率振蕩放大，使噪聲成為重要考慮因素。

電路設計中的考量因素

典型電路功能中，高邊 (HS) 和低邊 (LS) MOSFET 用作開(kāi)關(guān)器件驅動(dòng)電感負載。在 HS 開(kāi)關(guān)導通，LS 開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，電流從電源 V_cc 流向電感器 L_o。反之，在 HS 開(kāi)關(guān)關(guān)斷，LS 開(kāi)關(guān)導通時(shí)，電感器電流繼續從接地端同步流向 L_o。導通/關(guān)斷狀態(tài)由柵極電壓定義，柵極電壓的變化影響柵極回路的充放電。開(kāi)關(guān)時(shí)間和相關(guān)損耗取決于柵極電容通過(guò)柵極電流充放電的速度。柵極電流受驅動(dòng)電壓柵極電阻和驅動(dòng)電路整體寄生效應的影響（圖1a）。

圖1a：柵極驅動(dòng)電路元件

為了避免同時(shí)導通/關(guān)斷，需要認真選擇柵極電阻解決方案，如高功率厚膜片式電阻、薄膜 MELF 或高功率背接觸電阻。這類(lèi)解決方案不需要延長(cháng)有效轉化為功率損耗的“死區時(shí)間”（HS 和 LS 開(kāi)關(guān)導通之間的時(shí)間間隔）（圖1b）。

圖1b：同步降壓電路，帶“死區時(shí)間”的驅動(dòng)信號

選擇柵極電阻技術(shù)的基本考慮因素主要包括脈沖功率、脈沖時(shí)間和溫度以及穩定性。使用兩個(gè)柵極電阻時(shí)，通常建議導通柵極電阻值至少是關(guān)斷柵極電阻值的兩倍（圖1c）。重要的是注意關(guān)斷柵極電阻值，避免漏極（或 IGBT 情況下，集電極）電壓上升發(fā)生寄生導通。

圖1c：基礎柵極電路(獨立導通和關(guān)斷)

同時(shí)，還要考慮柵極電阻的阻值，阻值過(guò)高或過(guò)低都會(huì )發(fā)生損耗或振蕩。柵極電阻要求能夠承受短時(shí)間高峰負載，平均功耗隨頻率和占空比而增加。在功能上，電阻能夠對器件內部寄生電容放電并進(jìn)行 Miller 充電。減小電壓過(guò)沖可以降低器件和驅動(dòng)器的應力，減小寄生電感可以避免開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生 V_GS 振蕩。 

為了盡量減少電路中的噪聲，縮短布線(xiàn)長(cháng)度（減小寄生電感）很重要。因此，通常首選打線(xiàn)或表面貼裝柵極電阻。采用 IGBR 打線(xiàn)電阻的情況下，背接觸具有優(yōu)異導熱性，并最大限度減小器件與 PCB 之間的熱梯度。在連接、外形尺寸和燒結能力方面，IGBR 電阻在打線(xiàn)連接，小尺寸以及燒結能力方面的綜合性能可以讓其更靈活地內置于高功率半導體模塊或封裝。這樣電阻可以在布局上非常接近開(kāi)關(guān)器件，從而減少部分寄生元件，有助于降低電路噪聲。

柵極電阻的選型建議

柵極電阻涵蓋多種技術(shù)解決方案，包括高功率厚膜片式電阻 (a)、薄膜 MELF 電阻 (b) 和額定功率達 4 W 的薄膜襯底電阻 (c)。柵極電阻選型的其他考慮因素包括元件尺寸、精度、可靠性、元件與 PCB 之間的熱性能以及并聯(lián)寄生電感。

圖2. 柵極電阻類(lèi)型

柵極電阻的阻值 (R_G) 通常為 1 ?  至 100 ? 之間。選擇較低的 R_G 值可以減少器件功耗 (E_ON, E_OFF)，但也會(huì )導致驅動(dòng)電流增加。寬帶半導體器件上升時(shí)間短，因此還要考慮柵極電阻的 RF 影響，平衡開(kāi)關(guān)損耗與 EMI（電磁干擾）性能。如想減少 EMI，可使用更高阻值的電阻，延長(cháng)開(kāi)關(guān)上升時(shí)間，但這自然會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗。

根據電源電路的電感和負載，不同電阻技術(shù)解決方案的最大工作電壓也是重要的考慮因素，因為開(kāi)關(guān)過(guò)程會(huì )出現電壓脈沖。通過(guò)考慮所有這些因素，可以選擇適用的柵極電阻解決方案，滿(mǎn)足功效、可靠性和降噪方面的特定要求。

為滿(mǎn)足瞬態(tài)的高峰電流(可達到兩位數電流) 和高頻 (有時(shí)甚至瞬間達到 MHz )的要求，工作溫度對電阻就顯得尤為重要。高溫會(huì )造成阻值漂移并且漂移會(huì )隨著(zhù)時(shí)間增加。阻值的長(cháng)期穩定性由器件結構決定。

例如，與片式電阻的矩形電阻區域相比，MELF 電阻的圓柱體電阻區域面積擴大了 π 倍，可顯著(zhù)提高抗脈沖性能。NiCr 之類(lèi)穩定薄膜材料也具有出色的抗脈沖負載性能。在空間受限的設計中，電源開(kāi)關(guān)的相對位置很重要，因為熱量可從電源開(kāi)關(guān)流入 PCB，從而影響柵極電阻的工作溫度。

如果您想充分利用寬帶隙半導體器件的功效優(yōu)勢，需要考慮柵極電荷 Qx、開(kāi)關(guān)頻率、驅動(dòng)峰值電流以及快速開(kāi)關(guān)時(shí)開(kāi)關(guān)的高準確性和穩定性的具體要求，設計最佳柵極驅動(dòng)電路。正確選擇具有相應技術(shù)和器件結構的低阻值柵極電阻對于實(shí)現最佳電路效率至關(guān)重要。

作者介紹

Jorge Lugo  Vishay 高級市場(chǎng)開(kāi)發(fā)經(jīng)理

Andrew Mason  Vishay 高級產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理