IGBT的開關(guān)特性是通過對門極電容進行充放電來控制的，實際應用中經(jīng)常使用＋15V的正電壓對IGBT進行開通，再由-5V…-8V…-15V的負電壓進行關(guān)斷。門極電容的充放電速度可以通過控制門極電阻來實現(xiàn)，所以我們可以通過門極電阻來調(diào)整IGBT開關(guān)的動態(tài)特性，如圖1所示。

圖1  IGBT門極控制示意圖

       門極電阻可以影響IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗、反偏安全工作區(qū)（RBSOA）、短路安全工作區(qū)（SCSOA）、EMI、dv/dt、di/dt和續(xù)流二極管的反向恢復電流等。所以需要根據(jù)不同的應用條件謹慎地選擇最優(yōu)門極電阻，比如不同的IGBT芯片特性、二極管特性、開關(guān)頻率、損耗要求、系統(tǒng)雜散電感、直流母線電壓和驅(qū)動能力等，一個完整的IGBT門極電阻選型需要綜合考慮以上各種因素。

IGBT開關(guān)特性與門極電阻的關(guān)系

       外部門極電阻RG會影響IGBT的開關(guān)特性。IGBT的開關(guān)過程就是對門極輸入電容的充放電過程，輸入電容在開關(guān)過程中是變化的，而門極電阻可以通過限制門極脈沖電流（IG）的幅值來控制IGBT開通和關(guān)斷的時間，如圖2所示。

圖2  IGBT開通和關(guān)斷時的門極電流示意圖

圖3  IGBT開關(guān)損耗和開關(guān)時間與門極電阻RG的關(guān)系

       減小門極電阻時需要考慮大電流快速開關(guān)帶來的di/dt問題。過大的di/dt會通過回路雜散電感產(chǎn)生很高的電壓尖峰，這個尖峰電壓可由公式（1）得出：

       這種電壓尖峰可以在IGBT的關(guān)斷波形中觀察到，如圖4所示，陰影部分的面積代表對應的開關(guān)損耗。過大的瞬時電壓尖峰疊加在IGBT的集電極和發(fā)射極上有可能損壞IGBT，尤其是在短路工況時，大電流關(guān)斷IGBT會引起很大的di/dt。通常增大門極電阻可以減小Vstray，降低IGBT過壓失效的風險。

圖4  IGBT開通與關(guān)斷波形

       在半橋拓撲中，需要在上下橋臂開關(guān)切換之間加入互鎖和死區(qū)時間，這時需要考慮門極電阻對開關(guān)時間的影響。比如較大的關(guān)斷電阻RG(off)會延長IGBT的下降時間，這樣實際的死區(qū)時間就有可能大于設置的最小死區(qū)時間，引起橋臂直通。

       過快的開關(guān)速度帶來更高的dv/dt和di/dt，會造成更惡劣的EMI環(huán)境，實際應用中可能會對控制電路等產(chǎn)生干擾。圖5描述了di/dt與門極電阻大小的關(guān)系。

圖5  IGBT開通關(guān)斷過程中di/dt與門極電阻的RG的關(guān)系

       表1描述了IGBT開關(guān)特性與門極電阻變化的關(guān)系。

表1  IGBT開關(guān)特性和門極電阻的關(guān)系

續(xù)流二極管開關(guān)特性與門極電阻的關(guān)系

       續(xù)流二極管的開關(guān)特性同樣受到門極電阻的影響，它限制了允許的最小門極開通電阻RG(on)。這意味著IGBT的開通速度不能一味加快，它必須和配套使用的續(xù)流二極管的反向恢復特性相匹配。此外過大的IRRM也會增加續(xù)流二極管反向恢復損耗。圖6描述了續(xù)流二極管的反向恢復峰值電流IRRM隨著換流速度diF/dt的增大而增大，而diF/dt的大小是由IGBT的開通電阻RG(on)來控制的。

圖6  續(xù)流二極管反向恢復峰值電流與diF/dt和RG的關(guān)系以及續(xù)流二極管的反向恢復特性

       在賽米控的IGBT模塊中，常配合使用經(jīng)過特殊設計和優(yōu)化的CAL（Control  Axial  Lifetime）續(xù)流二極管，它具有較軟的反向恢復特性，可以減小反向恢復電流從而降低IGBT開通損耗和二極管的反向恢復損耗。

驅(qū)動輸出形式與門極電阻的配置

       門極驅(qū)動電路的輸出極一般使用兩個MOSFET組成圖騰柱的形式。兩個MOSFET由同一個驅(qū)動信號控制。當驅(qū)動信號是高電平時，N溝道MOSFET開通，當驅(qū)動信號是低電平時，P溝道MOSFET開通，這兩個MOSFET構(gòu)成一個推挽輸出。圖7列舉了幾種常見的電阻連接方式，包含對稱和非對稱的門極控制。

圖7  IGBT門極電阻連接形式

門極電阻的選型經(jīng)驗  

       門極電阻的選型原則是達到最優(yōu)的開關(guān)特性，包括較低的開關(guān)損耗、IGBT模塊沒有振蕩、較低的續(xù)流二極管反向恢復電流、以及對最大dv/dt和di/dt的控制。以下是門極電阻選型中的一些經(jīng)驗：

• 一般來說，額定電流大的IGBT模塊可以用較小的門極電阻驅(qū)動，而額定電流小的IGBT模塊一般需要用到較大的門極電阻。

•  最優(yōu)的門極電阻值一般會在IGBT規(guī)格書中標注的值的一倍到兩倍之間。這個經(jīng)驗適用于大部分的應用場合。IGBT規(guī)格書中給出的門極電阻一般是最小值，在標注的條件下，IGBT能在兩倍的額定電流下安全關(guān)斷。但實際應用參數(shù)和測試參數(shù)有所區(qū)別，所以規(guī)格書中的門極電阻值一般很難達到。最優(yōu)的門極電阻值還是需要測試最終的系統(tǒng)來確定，可以使用兩倍的規(guī)格書給定電阻值作為起始值進行測試。

• 多數(shù)應用情況下，開通門極電阻RG(on)會比關(guān)斷門極電阻RG(off)小，根據(jù)實際的應用條件，RG(off)大概可以是RG(on)的兩倍。

• 盡量地減小系統(tǒng)中尤其是直流母線的雜散電感非常重要，這有利于把IGBT的關(guān)斷電壓尖峰控制在規(guī)格書給定的范圍內(nèi)，特別是在短路關(guān)斷時。一個簡單有效的降低短路關(guān)斷電壓尖峰的方法是使用軟關(guān)斷電路。當驅(qū)動檢測到短路發(fā)生時，會使用一個較大的關(guān)斷電阻來減緩IGBT的關(guān)斷速度。

最大門極電流的限制

       最小門極電阻確定了最大門極峰值電流。增大門極峰值電流能減小開關(guān)時間，從而降低開關(guān)損耗。但最大的門極峰值電流又受限于驅(qū)動的輸出能力。驅(qū)動的規(guī)格書中一般會定義最大門極電流輸出能力，即定義了最小允許的門極電阻，應用中應考慮這個因素避免驅(qū)動過載失效。實際測試中，門極電流可能會比理論計算小一些，這是因為IGBT內(nèi)置門極電阻RG(int)和門極回路雜散電感的存在。RG(int)在IGBT規(guī)格書中會標明。圖8給出了門極電流波形和峰值電流的理論計算公式。

圖8  IGBT門極電流

門極電阻峰值功率校核

       門極電阻在工作過程中需要持續(xù)承受脈沖電流，因此門極電阻還需要滿足脈沖功率的要求。一個方法是通過圖9計算出脈沖功率， 然后查閱電阻規(guī)格書的相關(guān)圖表進行比較判斷。

圖9  門極電阻脈沖功率的校核

門極電阻的類型

       門極電阻本身需要滿足一定的性能要求，具備一定特征才能保證在脈沖載荷下長期可靠地運行。表2列舉了門極電阻需具備的一些主要特征以及合適的封裝。

表2  門極電阻的特征

門極電阻的布局

       基于門極電阻的工作特性，建議將電阻并聯(lián)使用。一方面這種冗余設計可以在某個電阻失效時整個驅(qū)動還能暫時運行，只是開關(guān)損耗會增大。這時每個并聯(lián)電阻的耗散功率和峰值功率都要按照應用中最大門極電流來設計。另一方面并聯(lián)使用電阻可以改善熱的分布，利于散熱。

       門極電阻工作時會產(chǎn)生大量的熱，需要注意不能讓其過分加熱PCB上附近放置的元器件，因此在布局時需要給門極電阻設計一個足夠大的散熱面積。特殊情況下甚至可以考慮在PCB上使用合適的金屬散熱器來獲得更好的散熱效果。圖10是一個帶散熱面積的門極電阻并聯(lián)布局設計。

圖10  門極電阻并聯(lián)PCB布局

       門極電阻應該盡量靠近IGBT模塊門極，過長的距離會在門極-發(fā)射極回路造成較大的電感，結(jié)合IGBT門極的輸入電容特性，會組成一個LC電路。這個LC電路在某個參數(shù)點會出現(xiàn)振蕩，可能會出現(xiàn)超過允許值的門極電壓。這種振蕩可以通過選用一個遠大于最小諧振值的門極電阻來抑制，可以通過公式（2）計算：

常見問題排查

       表3列出了實際應用中經(jīng)常出現(xiàn)的可能與門極電阻有關(guān)系的一些問題，這有助于我們分析查找原因。

表3  常見問題排查

參考文獻：

1. M. Hermwille, Semikron AN-7003 'Gate Resitor - Principle and Application'