浅析栅极电阻RG对IGBT开关特性的性能影响

1 前言

　　用于控制、调节和开关目的的功率半导体器件需要更高的电压和更大的电流。功率半导体器件的开关动作受栅极电容的充放电控制。而栅极电容的充放电通常又受栅极电阻的控制。通过使用典型的+15V控制电压(VG(on))，IGBT导通，负输出电压为-5V～-15V时，IGBT关断。IGBT的动态性能可通过栅极电阻值来调节。栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗及各种其他参数，从电磁干扰EMI到电压和电流的变化率。因此，栅极电阻必须根据具体应用的参数非常仔细地选择和优化。

　　2 栅极电阻RG对IGBT开关特性的影响

　　IGBT开关特性的设定可受外部电阻RG的影响。由于IGBT的输入电容在开关期间是变化的，必须被充放电，栅极电阻通过限制导通和关断期间栅极电流(IG)脉冲的幅值来决定充放电时间(见图1)。由于栅极峰值电流的增加，导通和关断的时间将会缩短且开关损耗也会减少。减小RG(on)和RG(off)的阻值会增大栅极峰值电流。当减小栅极电阻的阻值时，需要考虑的是当大电流被过快地切换时所产生的电流上升率di/dt。电路中存在杂散电感在IGBT上产生大的电压尖峰，这一效果可在图2所示的IGBT关断时波形图中观察到。图中的阴影部分显示了关断损耗的相对值。集电极-发射极电压上的瞬间电压尖峰可能会损坏IGBT，特别是在短路关断操作的情况下，因为di/dt比较大。可通过增加栅极电阻的值来减小Vstray。因此，消除了由于过电压而带来的IGBT被损毁的风险。快速的导通和关断会分别带来较高的dv/dt和di/dt，因此会产生更多的电磁干扰(EMI)，从而可能导致电路故障。表1显示不同的栅极电阻值对di/dt的影响。

　　图1 导通、关断/栅极电流

　　图2 IGBT关断

　　表1 变化率/特性

　　3 对续流二极管开关特性的影响

　　续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并限制栅极阻抗的最小值。这意味着IGBT的导通开关速度只能提高到一个与所用续流二极管反向恢复特性相兼容的水平。栅极电阻的减小不仅增大了IGBT的过电压应力，而且由于IGBT模块中diC/dt的增大，也增大了续流二极管的过压极限。通过使用特殊设计和优化的带软恢复功能的CAL(可控轴向寿命)二极管，使得反向峰值电流减小，从而使桥路中IGBT的导通电流减小。

　　4 驱动器输出级的设计

　　栅极驱动电路的驱动器输出级是一种典型的设计，采用了两个按图腾柱形式配置的MOSFET，如图3所示。两个MOSFET的栅极由相同的信号驱动。当信号为高电平时，N通道MOSFET导通，当信号为低电平时，P通道MOSFET导通，从而产生了两个器件推挽输出的配置。MOSFET的输出级可有一路或两路输出。据此可实现具有一个或两个栅极电阻(导通，关断)的用于对称或不对称栅极控制的解决方案。

　　图3 RG(on)/RG(off)的连接