1 前言
用于控制、調節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的動態性能可通過柵極電阻值來調節。柵極電阻影響IGBT的開關時間、開關損耗及各種其他參數，從電磁干擾EMI到電壓和電流的變化率。因此，柵極電阻必須根據具體應用的參數非常仔細地選擇和優化。
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生的電流上升率di/dt。電路中存在雜散電感在IGBT上產生大的電壓尖峰，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。可通過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 對續流二極管開關特性的影響
續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，也增大了續流二極管的過壓極限。通過使用特殊設計和優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。據此可實現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
5 柵極電阻的計算
對于低開關損耗，無IGBT模塊振蕩，低二極管反向恢復峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現出最佳的開關特性。通常在應用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅動;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，IGBT數據手冊中所給的電阻值必須為每個設計而優化。IGBT數據手冊指定了柵極電阻值。然而，最優的柵極電阻值一般介于數據手冊所列值和其兩倍之間。IGBT數據手冊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斷。在實際中，由于測試電路和各個應用參數的差異，IGBT數據手冊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(即兩倍的數據表值)可被作為優化的起點，以相應地減少柵級電阻值。確定最優值的唯一途徑是測試和衡量最終系統，使應用中的寄生電感最小很重要。這對于保持IGBT的關斷過電壓在數據手冊的指定范圍內是必要的，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通和關斷時間，以及開關損耗。柵極峰值電流的最大值和柵極電阻的最小值分別由驅動器輸出級的性能決定。
6 設計、布局和疑難解答
為了能夠經受住應用中出現的大負載，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載，建議使用電阻并聯的形式。這將產生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統可臨時運行，但開關損耗較大。選擇錯誤的柵極電阻，可能會導致問題和不希望的結果。所選的柵極電阻值太大，將導致損耗過大，應減小柵極電阻值。過高的柵極電阻值可能會導致IGBT在開關期間長時間運行在線性模式下，最終導致柵極振蕩。然而，萬一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，都會導致柵極電阻過熱或燒毀。運行期間，柵極電阻不得不承受連續的脈沖電流，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，會帶來更高的dv/dt 或di/dt，但也可能會導致EMI噪聲。
應用(直流環節)中的電感過大或者使用的柵極電阻小，將導致更大的di/dt，從而產生過大的IGBT電壓尖峰。因此，應盡量減小電感或者增大柵極電阻值。為減小短路時的電壓尖峰，可使用軟關斷電路，它可以更緩慢地關斷IGBT。柵極電阻和IGBT模塊之間的距離應盡可能短。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線過長，將會在柵極-發射極的通道上產生較大的電感。結合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個LC振蕩電路。可簡單地通過縮短連線或者用比最小柵極電阻值RG(min)≥2√Lwire/Cies大的柵極電阻來衰減這種振蕩。