1 前言

　　用于控制,、調(diào)節(jié)和開(kāi)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(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(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(guò)柵極電阻值來(lái)調(diào)節(jié),。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(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(kāi)關(guān)特性的影響

　　IGBT開(kāi)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(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(dǎo)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(dǎo)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(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(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,。可通過(guò)增加?xùn)艠O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(xiǎn)?？焖俚膶?dǎo)通和關(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(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(kāi)關(guān)特性的影響

　　續(xù)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IGBT的導(dǎo)通開(kāi)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(guò)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(guò)壓極限,。通過(guò)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

　　5 柵極電阻的計(jì)算

　　對(duì)于低開(kāi)關(guān)損耗,，無(wú)IGBT模塊振蕩,，低二極管反向恢復(fù)峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現(xiàn)出最佳的開(kāi)關(guān)特性,。通常在應(yīng)用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅(qū)動(dòng);同樣的,，額定電流小的IGBT模塊,，將需要較大的柵極電阻。也就是說(shuō),，IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中所給的電阻值必須為每個(gè)設(shè)計(jì)而優(yōu)化,。IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)指定了柵極電阻值。然而,，最優(yōu)的柵極電阻值一般介于數(shù)據(jù)手冊(cè)所列值和其兩倍之間,。IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中所指定的值是最小值。在指定條件下,，兩倍于額定電流可被安全地關(guān)斷,。在實(shí)際中，由于測(cè)試電路和各個(gè)應(yīng)用參數(shù)的差異,，IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中的柵極電阻值往往不一定是最佳值,。上面提到的大概的電阻值(即兩倍的數(shù)據(jù)表值)可被作為優(yōu)化的起點(diǎn)，以相應(yīng)地減少柵級(jí)電阻值,。確定最優(yōu)值的唯一途徑是測(cè)試和衡量最終系統(tǒng),，使應(yīng)用中的寄生電感最小很重要。這對(duì)于保持IGBT的關(guān)斷過(guò)電壓在數(shù)據(jù)手冊(cè)的指定范圍內(nèi)是必要的,，特別是在短路情況下,。柵極電阻決定柵極峰值電流IGM。增大柵極峰值電流將減少導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,，以及開(kāi)關(guān)損耗,。柵極峰值電流的最大值和柵極電阻的最小值分別由驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)的性能決定。

　　6 設(shè)計(jì),、布局和疑難解答

　　為了能夠經(jīng)受住應(yīng)用中出現(xiàn)的大負(fù)載,，柵極電阻必須滿足一定的性能要求并具有一定的特性。由于柵極電阻上的大負(fù)載,，建議使用電阻并聯(lián)的形式,。這將產(chǎn)生一個(gè)冗余，如果一個(gè)柵極電阻損壞,，系統(tǒng)可臨時(shí)運(yùn)行,，但開(kāi)關(guān)損耗較大。選擇錯(cuò)誤的柵極電阻,，可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題和不希望的結(jié)果,。所選的柵極電阻值太大,，將導(dǎo)致?lián)p耗過(guò)大，應(yīng)減小柵極電阻值,。過(guò)高的柵極電阻值可能會(huì)導(dǎo)致IGBT在開(kāi)關(guān)期間長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在線性模式下,，最終導(dǎo)致柵極振蕩。然而,，萬(wàn)一電阻的功耗和峰值功率能力不夠,，或者使用了非防浪涌電阻，都會(huì)導(dǎo)致柵極電阻過(guò)熱或燒毀,。運(yùn)行期間,，柵極電阻不得不承受連續(xù)的脈沖電流，因此,，柵極電阻必須具有一定的峰值功率能力,。使用非常小的柵極電阻，會(huì)帶來(lái)更高的dv/dt 或di/dt,，但也可能會(huì)導(dǎo)致EMI噪聲,。

　　應(yīng)用(直流環(huán)節(jié))中的電感過(guò)大或者使用的柵極電阻小，將導(dǎo)致更大的di/dt,，從而產(chǎn)生過(guò)大的IGBT電壓尖峰,。因此，應(yīng)盡量減小電感或者增大柵極電阻值,。為減小短路時(shí)的電壓尖峰,，可使用軟關(guān)斷電路，它可以更緩慢地關(guān)斷IGBT,。柵極電阻和IGBT模塊之間的距離應(yīng)盡可能短,。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)在柵極-發(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感,。結(jié)合IGBT的輸入電容,，該線路電感將形成一個(gè)LC振蕩電路?？珊?jiǎn)單地通過(guò)縮短連線或者用比最小柵極電阻值RG(min)≥2√Lwire/Cies大的柵極電阻來(lái)衰減這種振蕩,。