深度剖析IGBT柵極驅(qū)動(dòng)注意事項(xiàng)

IGBT晶體管的結(jié)構(gòu)要比 MOSFET 或雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 復(fù)雜得多。它結(jié)合了這兩種器件的特點(diǎn)，并且有三個(gè)端子：一個(gè)柵極、一個(gè)集電極和一個(gè)發(fā)射極。就柵極驅(qū)動(dòng)而言，該器件的行為類似于 MOSFET。它的載流路徑與 BJT 的集電極-發(fā)射極路徑非常相似。圖 1 顯示了 n 型 IGBT 的等效器件電路。

圖 1. IGBT的等效電路

圖 2. IGBT的導(dǎo)通電流

為了快速導(dǎo)通和關(guān)斷 BJT，必須在每個(gè)方向上硬驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電流，以將載流子移入和移出基極區(qū)。當(dāng) MOSFET 的柵極被驅(qū)動(dòng)為高電平時(shí)，會(huì)存在一個(gè)從雙極型晶體管的基極到其發(fā)射極的低阻抗路徑。這會(huì)使晶體管快速導(dǎo)通。因此，柵極電平被驅(qū)動(dòng)得越高，集電極電流開始流動(dòng)的速度就會(huì)越快。基極和集電極電流如圖 2 所示。

圖 3. IGBT的關(guān)斷電流

關(guān)斷場(chǎng)景有點(diǎn)不同，如圖 3 所示。當(dāng) MOSFET 的柵極電平被拉低時(shí)，BJT 中將沒有基極電流的電流路徑?；鶚O電流的缺失會(huì)誘發(fā)關(guān)斷過程；不過，為了快速關(guān)斷，應(yīng)強(qiáng)制電流進(jìn)入基極端子。由于沒有可用的機(jī)制將載流子從基極掃走，因此 BJT 的關(guān)斷相對(duì)較慢。這導(dǎo)致了一種被稱為尾電流的現(xiàn)象，因?yàn)榛鶚O區(qū)中存儲(chǔ)的電荷必須被發(fā)射極電流掃走。

很明顯，更快的柵極驅(qū)動(dòng) dv/dt 速率（源于更高的柵極電流能力）將會(huì)更快地接通和關(guān)斷 IGBT，但對(duì)于器件的開關(guān)速度（特別是關(guān)斷速度）而言，是存在固有限制的。正是由于這些限制，開關(guān)頻率通常在 20kHz 至 50kHz 范圍內(nèi)，盡管在特殊情況下它們也可以用于更快和更慢的電路。IGBT 通常用于諧振和硬開關(guān)拓?fù)渲械母吖β?(Po > 1 kW) 電路。諧振拓?fù)渥畲蟪潭冉档土碎_關(guān)損耗，因?yàn)樗鼈円词橇汶妷洪_關(guān)，要么是零電流開關(guān)。

較慢的 dv/dt 速率可以提高 EMI 性能（當(dāng)涉及這方面問題時(shí)），并在導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間減少尖峰的形成。這是以降低效率為代價(jià)的，因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。

MOSFET 存在一種稱為二次導(dǎo)通的現(xiàn)象。這是由于漏電壓的 dv/dt 速率非常快，其范圍可以在 1000–10000 V/us 之間。盡管 IGBT 的開關(guān)速度通常不如 MOSFET 快，但由于所使用的是高電壓，因此它們?nèi)匀豢梢栽庥龇浅８叩?dv/dt 電平。如果柵極電阻過高，就會(huì)導(dǎo)致二次導(dǎo)通。

圖 4. 帶有寄生電容的IGBT

在這種情況下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器將柵極電平拉低時(shí)，器件開始關(guān)斷，但由于 Cgc 和 Cge 分壓器的原因，集電極上的電壓升高會(huì)在柵極上產(chǎn)生電壓。如果柵極電阻過高，柵極電壓可升高到足以使器件重新導(dǎo)通。這將導(dǎo)致大功率脈沖，從而可能引發(fā)過熱，在某些情況下甚至?xí)p壞器件。

該問題的限制公式為：

其中，

●   dv/dt 為關(guān)斷時(shí)集電極上電壓波形上升的速率

●   Vth為柵極的平臺(tái)電平

●   Rg為總柵極電阻

●   Cgc 為柵極-發(fā)射極電容

應(yīng)注意，數(shù)據(jù)表上的 Ciss 是 Cge 和 Cgc 電容的并聯(lián)等效值。

類似地，Rg 是柵極驅(qū)動(dòng)器阻抗、物理柵極電阻和內(nèi)部柵極電阻的串聯(lián)和。內(nèi)部柵極電阻有時(shí)可根據(jù)數(shù)據(jù)表計(jì)算出來。如果計(jì)算不出來，可通過以下方式進(jìn)行測(cè)量：使用 LCR 電橋并使集電極-發(fā)射極引腳短路，然后在接近開關(guān)頻率的頻率下測(cè)量等效串聯(lián) RC。

如果使用的是 FET 輸出級(jí)，則可以在其數(shù)據(jù)表中找到驅(qū)動(dòng)器阻抗。如果無法在數(shù)據(jù)表上找到，可通過將峰值驅(qū)動(dòng)電流取為其額定 VCC 電平來進(jìn)行近似計(jì)算。

因此，最大總柵極電阻為：

最大 dv/dt 是基于柵極驅(qū)動(dòng)電流以及 IGBT 周圍的電路阻抗。如果將高值電阻器用于柵極驅(qū)動(dòng)，則需要在實(shí)際電路中進(jìn)行驗(yàn)證。圖 5 顯示了同一電機(jī)控制電路中三個(gè)不同 IGBT 的關(guān)斷波形。在此應(yīng)用中，dv/dt 為 3500 V/s。

圖 5. 三個(gè)IGBT的關(guān)斷波形

對(duì)于該情況而言，IGBT #2 的典型 Cgc 為 84 pF，而閾值柵極電壓為 7.5 V（在 15 A 的條件下）。

利用上述公式，該電路的最大總柵極電阻為：

Rg < 25.5 Ω。

因此，如果內(nèi)部柵極電阻為 2Ω，驅(qū)動(dòng)器阻抗為 5Ω，則所使用的絕對(duì)最大柵極電阻應(yīng)為 18Ω。實(shí)際上，由于 IGBT、驅(qū)動(dòng)器、板阻抗和溫度的變化，建議采用一個(gè)較小的最大值（例如 12Ω）。

圖 6. 等效柵極驅(qū)動(dòng)電路

去除外部柵極電阻器可能會(huì)獲得最佳的高頻性能，同時(shí)確保不會(huì)發(fā)生二次導(dǎo)通。在某些情況下，這可能會(huì)起作用，但也可能由于柵極驅(qū)動(dòng)電路中的阻抗而導(dǎo)致振蕩。

柵極驅(qū)動(dòng)電路為串聯(lián) RLC 諧振電路。電容主要源于 IGBT 寄生電容。所示的兩個(gè)電感則源自 IGBT 和驅(qū)動(dòng)器的板走線電感與焊線電感的組合。

在柵極電阻很小或沒有柵極電阻的情況下，諧振電路將會(huì)振蕩并造成 IGBT 中的高損耗。此時(shí)需要有足夠大的柵極電阻來抑制諧振電路，從而消除振蕩。

由于電感難以測(cè)量，因此也就很難計(jì)算適合的電阻。要最大程度降低所需的最小柵極電阻，最佳方案是采用良好的布局程序。

驅(qū)動(dòng)器與 IGBT 柵極之間的路徑應(yīng)盡可能短。這適用于柵極驅(qū)動(dòng)的整個(gè)電路路徑以及接地回路路徑。如果控制器不包括集成驅(qū)動(dòng)器，則將 IGBT 驅(qū)動(dòng)器置于 IGBT 的柵極附近要比將柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入置于控制器的 PWM 輸出端更為重要。從控制器到驅(qū)動(dòng)器的電流非常小，因此相比從驅(qū)動(dòng)器到 IGBT 的高電流和高 di/dt 電平所造成的影響，任何雜散電容的影響都要小得多。短而寬的走線是最大程度降低電感的最佳方式。

典型的最小驅(qū)動(dòng)器電阻范圍為 2Ω至 5Ω。這其中包括驅(qū)動(dòng)器阻抗、外部電阻值和內(nèi)部 IGBT 柵極電阻值。一旦設(shè)計(jì)好板的布局，即可確定并優(yōu)化柵極電阻值。

本文給出了最大和最小柵極電阻值的指南。在這些限值之間有一個(gè)取值范圍，藉此可以對(duì)電路進(jìn)行調(diào)諧，從而獲得最大效率、最小 EMI 或其他重要參數(shù)。在電路設(shè)計(jì)中取一個(gè)介于這些極值之間的安全值可確保設(shè)計(jì)的穩(wěn)健。

參考文獻(xiàn)

[1]《Power Semiconductor Devices》（功率半導(dǎo)體器件），B. Jayant Baliga，PWS Publishing Company，Boston。ISBN 0?534?94098?6