柵極電阻RG對IGBT開關特性的性能影響分析

　1 前言

　　用于控制、調(diào)節(jié)和開關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關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導通，負輸出電壓為-5V～-15V時，IGBT關斷。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的開關時間、開關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)具體應用的參數(shù)非常仔細地選擇和優(yōu)化。

　　2 柵極電阻RG對IGBT開關特性的影響

　　IGBT開關特性的設定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT的輸入電容在開關期間是變化的，必須被充放電，柵極電阻通過限制導通和關斷期間柵極電流(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，導通和關斷的時間將會縮短且開關損耗也會減少。減小RG(on)和RG(off)的阻值會增大柵極峰值電流。當減小柵極電阻的阻值時，需要考慮的是當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關斷時波形圖中觀察到。圖中的陰影部分顯示了關斷損耗的相對值。集電極-發(fā)射極電壓上的瞬間電壓尖峰可能會損壞IGBT，特別是在短路關斷操作的情況下，因為di/dt比較大?？赏ㄟ^增加柵極電阻的值來減小Vstray。因此，消除了由于過電壓而帶來的IGBT被損毀的風險。快速的導通和關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、關斷/柵極電流

　　圖2 IGBT關斷

　　表1 變化率/特性

　　3 對續(xù)流二極管開關特性的影響

　　續(xù)流二極管的開關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的導通開關速度只能提高到一個與所用續(xù)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的過電壓應力，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 驅動器輸出級的設計

　　柵極驅動電路的驅動器輸出級是一種典型的設計，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動。當信號為高電平時，N通道MOSFET導通，當信號為低電平時，P通道MOSFET導通，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)此可實現(xiàn)具有一個或兩個柵極電阻(導通，關斷)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