若何选择IGBT的门极驱动电阻？_电阻_电流

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图1 IGBT门极掌握示意图

门极电阻可以影响IGBT的开关韶光、开关损耗、反偏安全事情区（RBSOA）、短路安全事情区（SCSOA）、EMI、dv/dt、di/dt和续流二极管的反向规复电流等。
以是须要根据不同的运用条件谨慎地选择最优门极电阻，比如不同的IGBT芯片特性、二极管特性、开关频率、损耗哀求、系统杂散电感、直流母线电压和驱动能力等，一个完全的IGBT门极电阻选型须要综合考虑以上各种成分。

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IGBT开关特性与门极电阻的关系

（图片来自网络侵删）

外部门极电阻RG会影响IGBT的开关特性。
IGBT的开关过程便是对门极输入电容的充放电过程，输入电容在开关过程中是变革的，而门极电阻可以通过限定门极脉冲电流（IG）的幅值来掌握IGBT开通和关断的韶光，如图2所示。

图2 IGBT开通和关断时的门极电流示意图

图3 IGBT开关损耗和开关韶光与门极电阻RG的关系

减小门极电阻时须要考虑大电流快速开关带来的di/dt问题。
过大的di/dt会通过回路杂散电感产生很高的电压尖峰，这个尖峰电压可由公式（1）得出：

这种电压尖峰可以在IGBT的关断波形中不雅观察到，如图4所示，阴影部分的面积代表对应的开关损耗。
过大的瞬时电压尖峰叠加在IGBT的集电极和发射极上有可能破坏IGBT，尤其是在短路工况时，大电流关断IGBT会引起很大的di/dt。
常日增大门极电阻可以减小Vstray，降落IGBT过压失落效的风险。

图4 IGBT开通与关断波形

在半桥拓扑中，须要在高下桥臂开关怀换之间加入互锁和去世区韶光，这时须要考虑门极电阻对开关韶光的影响。
比如较大的关断电阻RG(off)会延长IGBT的低落韶光，这样实际的去世区韶光就有可能大于设置的最小去世区韶光，引起桥臂直通。

过快的开关速率带来更高的dv/dt和di/dt，会造成更恶劣的EMI环境，实际运用中可能会对掌握电路等产生滋扰。
图5描述了di/dt与门极电阻大小的关系。

图5 IGBT开通关断过程中di/dt与门极电阻的RG的关系

表1描述了IGBT开关特性与门极电阻变革的关系。

表1 IGBT开关特性和门极电阻的关系

续流二极管开关特性与门极电阻的关系

续流二极管的开关特性同样受到门极电阻的影响，它限定了许可的最小门极开通电阻RG(on)。
这意味着IGBT的开通速率不能一味加快，它必须和配套利用的续流二极管的反向规复特性相匹配。
此外过大的IRRM也会增加续流二极管反向规复损耗。
图6描述了续流二极管的反向规复峰值电流IRRM随着换流速率diF/dt的增大而增大，而diF/dt的大小是由IGBT的开通电阻RG(on)来掌握的。

图6 续流二极管反向规复峰值电流与diF/dt和RG的关系以及续流二极管的反向规复特性

在赛米控的IGBT模块中，常合营利用经由分外设计和优化的CAL（Control Axial Lifetime）续流二极管，它具有较软的反向规复特性，可以减小反向规复电流从而降落IGBT开通损耗和二极管的反向规复损耗。

驱动输出形式与门极电阻的配置

门极驱动电路的输出极一样平常利用两个MOSFET组成图腾柱的形式。
两个MOSFET由同一个驱动旗子暗记掌握。
当驱动旗子暗记是高电平时，N沟道MOSFET开通，当驱动旗子暗记是低电平时，P沟道MOSFET开通，这两个MOSFET构成一个推挽输出。
图7列举了几种常见的电阻连接办法，包含对称和非对称的门极掌握。

图7 IGBT门极电阻连接形式

门极电阻的选型履历

门极电阻的选型原则是达到最优的开关特性，包括较低的开关损耗、IGBT模块没有振荡、较低的续流二极管反向规复电流、以及对最大dv/dt和di/dt的掌握。
以下是门极电阻选型中的一些履历：

一样平常来说，额定电流大的IGBT模块可以用较小的门极电阻驱动，而额定电流小的IGBT模块一样平常须要用到较大的门极电阻。
最优的门极电阻值一样平常会在IGBT规格书中标注的值的一倍到两倍之间。
这个履历适用于大部分的运用处所。
IGBT规格书中给出的门极电阻一样平常是最小值，在标注的条件下，IGBT能在两倍的额定电流下安全关断。
但实际运用参数和测试参数有所差异，以是规格书中的门极电阻值一样平常很难达到。
最优的门极电阻值还是须要测试终极的系统来确定，可以利用两倍的规格书给定电阻值作为起始值进行测试。
多数运用情形下，开通门极电阻RG(on)会比关断门极电阻RG(off)小，根据实际的运用条件，RG(off)大概可以是RG(on)的两倍。
只管即便地减小系统中尤其是直流母线的杂散电感非常主要，这有利于把IGBT的关断电压尖峰掌握在规格书给定的范围内，特殊是在短路关断时。
一个大略有效的降落短路关断电压尖峰的方法是利用软关断电路。
当驱动检测到短路发生时，会利用一个较大的关断电阻来减缓IGBT的关断速率。

最大门极电流的限定

最小门极电阻确定了最大门山顶极峰值电流。
增大门山顶极峰值电流能减小开关韶光，从而降落开关损耗。
但最大的门山顶极峰值电流又受限于驱动的输出能力。
驱动的规格书中一样平常会定义最大门极电流输出能力，即定义了最小许可的门极电阻，运用中应考虑这个成分避免驱动过载失落效。
实际测试中，门极电流可能会比理论打算小一些，这是由于IGBT内置门极电阻RG(int)和门极回路杂散电感的存在。
RG(int)在IGBT规格书中会标明。
图8给出了门极电流波形和峰值电流的理论打算公式。

图8 IGBT门极电流

门极电阻峰值功率校核

门极电阻在事情过程中须要持续承受脉冲电流，因此门极电阻还须要知足脉冲功率的哀求。
一个方法是通过图9打算出脉冲功率，然后查阅电阻规格书的干系图表进行比较判断。

图9 门极电阻脉冲功率的校核

门极电阻的类型

门极电阻本身须要知足一定的性能哀求，具备一定特色才能担保在脉冲载荷下长期可靠地运行。
表2列举了门极电阻需具备的一些紧张特色以及得当的封装。

表2 门极电阻的特色

门极电阻的布局

基于门极电阻的事情特性，建议将电阻并联利用。
一方面这种冗余设计可以在某个电阻失落效时全体驱动还能暂时运行，只是开关损耗会增大。
这时每个并联电阻的耗散功率和峰值功率都要按照运用中最大门极电流来设计。
另一方面并联利用电阻可以改进热的分布，利于散热。

门极电阻事情时会产生大量的热，须要把稳不能让其过分加热PCB上附近放置的元器件，因此在布局时须要给门极电阻设计一个足够大的散热面积。
分外情形下乃至可以考虑在PCB上利用得当的金属散热器来得到更好的散热效果。
图10是一个带散热面积的门极电阻并联络构设计。

图10 门极电阻并联PCB布局

门极电阻该当只管即便靠近IGBT模块门极，过长的间隔会在门极-发射极回路造成较大的电感，结合IGBT门极的输入电容特性，会组成一个LC电路。
这个LC电路在某个参数点会涌现振荡，可能会涌现超过许可值的门极电压。
这种振荡可以通过选用一个远大于最小谐振值的门极电阻来抑制，可以通过公式（2）打算：