淺析柵極電阻RG對(duì)IGBT開關(guān)特性的性能影響

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(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(shí)，IGBT關(guān)斷。IGBT的動(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)間(見圖1)。由于柵極峰值電流的增加，導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間將會(huì)縮短且開關(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(dāng)減小柵極電阻的阻值時(shí)，需要考慮的是當(dāng)大電流被過快地切換時(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)波形圖中觀察到。圖中的陰影部分顯示了關(guān)斷損耗的相對(duì)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?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(xiǎn)?？焖俚膶?dǎo)通和關(guān)斷會(huì)分別帶來較高的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(dǎo)致電路故障。表1顯示不同的柵極電阻值對(duì)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(duì)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(gè)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(dòng)器輸出級(jí)的設(shè)計(jì)

　　柵極驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)是一種典型的設(shè)計(jì)，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(hào)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，N通道MOSFET導(dǎo)通，當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，P通道MOSFET導(dǎo)通，從而產(chǎn)生了兩個(gè)器件推挽輸出的配置。MOSFET的輸出級(jí)可有一路或兩路輸出。據(jù)此可實(shí)現(xiàn)具有一個(gè)或兩個(gè)柵極電阻(導(dǎo)通，關(guān)斷)的用于對(duì)稱或不對(duì)稱柵極控制的解決方案。

　　圖3 RG(on)/RG(off)的連接