IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇和計(jì)算

韓朋樂(lè)

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450001）

0 引 言

IGBT是常用的電力電子開(kāi)關(guān)元件，其驅(qū)動(dòng)輸入端呈現(xiàn)容性。當(dāng)使用PWM信號(hào)對(duì)IGBT進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)時(shí)，信號(hào)會(huì)通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)器件的輸入端進(jìn)行充放電。因此，柵極電阻對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間、損耗等開(kāi)關(guān)參數(shù)有重要影響，也決定了開(kāi)關(guān)過(guò)程的EMI干擾和電壓、電流的上升下降速率。所以，柵極驅(qū)動(dòng)電阻的大小對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)重要性不言而喻。現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般僅僅給出驅(qū)動(dòng)電阻的測(cè)試典型值，并未對(duì)其大小進(jìn)行選擇計(jì)算。因此，本文著眼于這一問(wèn)題，給出了驅(qū)動(dòng)電阻的選擇和計(jì)算方法。

1 由柵極電阻引起的誤動(dòng)作

1.1 與IGBT結(jié)電容相關(guān)聯(lián)的誤開(kāi)通

IGBT的集電極-柵極和發(fā)射極-柵極之間存在著結(jié)電容，分別是CCG和CCE，是由器件的固有工藝結(jié)構(gòu)引起的。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，由于線路中的感性，使得電流并不會(huì)立即消失，而是尋找合適的通路。同時(shí)，突變的電壓會(huì)引起這一電流通路，結(jié)電容的存在使得關(guān)斷電流沿著柵極驅(qū)動(dòng)電阻到地。當(dāng)這一電流足夠大時(shí)，柵極會(huì)產(chǎn)生一個(gè)足夠高的電壓，使得器件開(kāi)通[1]，如圖1所示。

其中，RDriver是驅(qū)動(dòng)芯片的輸出等效電阻，柵極驅(qū)動(dòng)電阻是RGon/off，IGBT柵極的等效電阻是RGint。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管兩端電壓產(chǎn)生突變，變化的電壓會(huì)在結(jié)電容CCG兩端產(chǎn)生電流：

因此，結(jié)電容CCG會(huì)不斷充電。CCG和CGE相互串聯(lián)，進(jìn)行分壓。電流iCG通過(guò)結(jié)電容CCG、驅(qū)動(dòng)電阻RGon/off、CGE回到驅(qū)動(dòng)地，于是柵極電阻兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)并不需要的電平：

當(dāng)這一電平值的大小超過(guò)IGBT的開(kāi)通閾值電壓時(shí)，IGBT就會(huì)發(fā)生誤開(kāi)通。

圖1 結(jié)電容上的電流流向

1.2 與線路分布電感相關(guān)聯(lián)的誤開(kāi)通

類(lèi)似于一般的橋式電路，當(dāng)T1斷開(kāi)后，另一IGBT的反并聯(lián)二極管D2會(huì)進(jìn)入續(xù)流階段[2]。由于二極管的反向恢復(fù)特性，使得在續(xù)流結(jié)束后，二極管D2會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向恢復(fù)電流iC2，且其大小逐漸變小。如圖2所示，這一減小的電流會(huì)在開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射端分布電感LσE2上產(chǎn)生電壓：

使得T2發(fā)射極有一個(gè)負(fù)電壓。如果這一負(fù)電壓足夠大，超過(guò)了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通閾值電壓，會(huì)使得T2誤開(kāi)通。

通過(guò)上述分析可以得出，柵極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)開(kāi)關(guān)管的動(dòng)態(tài)參數(shù)影響很大：驅(qū)動(dòng)電阻越小，結(jié)電容充放電速度越快，使得開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，進(jìn)而降低了開(kāi)關(guān)通態(tài)損耗[3]。但是，在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)或者反并聯(lián)二極管續(xù)流結(jié)束后，結(jié)電容的存在會(huì)使得IGBT柵極電阻兩端感應(yīng)出一個(gè)電平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使開(kāi)關(guān)管誤開(kāi)通，或者在柵極產(chǎn)生振鈴，嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)管的特性和系統(tǒng)安全。而柵極驅(qū)動(dòng)電阻越小，會(huì)使得開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)di/dt變大，進(jìn)而在結(jié)電容兩端產(chǎn)生更高的電壓變化率，使得續(xù)流二極管的恢復(fù)浪涌電壓增大，同時(shí)疊加分布電感的影響產(chǎn)生誤開(kāi)通。而驅(qū)動(dòng)電阻過(guò)大，會(huì)降低開(kāi)關(guān)速度，增加了通態(tài)損耗。

圖2 線路分布電感引起的負(fù)壓

除了上述從損耗、開(kāi)關(guān)速度的角度進(jìn)行的分析，實(shí)際上驅(qū)動(dòng)電阻的大小還會(huì)影響開(kāi)關(guān)頻率和器件的安全工作區(qū)，所以IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電阻的選擇是一個(gè)折衷的過(guò)程[4]。

2 柵極電阻選擇的原則

驅(qū)動(dòng)電阻過(guò)大或者過(guò)小都有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)該在保證器件功率要求的前提下，盡量減小驅(qū)動(dòng)電阻的阻值。這樣能夠盡量減小開(kāi)關(guān)損耗，提升器件開(kāi)關(guān)速度，對(duì)IGBT器件尤為重要。因?yàn)槟壳霸谄毡橐饬x上，IGBT的開(kāi)關(guān)速度雖然有了較大提升，但是仍然小于MOS器件。所以，只要驅(qū)動(dòng)電阻能夠規(guī)避di/dt和du/dt產(chǎn)生的影響，就應(yīng)該選取的更小，以充分發(fā)揮器件性能。因此，在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，驅(qū)動(dòng)電平的上升下降速度更快，應(yīng)選取更小的驅(qū)動(dòng)電阻提高開(kāi)關(guān)頻率；而在開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電平的上升下降速度要求并不高，應(yīng)選取更大的驅(qū)動(dòng)電阻。

3 柵極電阻的選擇建議

從上述分析得到，柵極電阻選擇時(shí)應(yīng)折衷考慮。不同工作環(huán)境會(huì)有不同的選擇要求，下面探討具體的選擇建議。

3.1 將柵極電阻分成開(kāi)通關(guān)斷兩個(gè)電阻

開(kāi)通時(shí)，開(kāi)通電阻RGon起作用；關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷電阻RGoff起作用。將開(kāi)通和關(guān)斷兩個(gè)過(guò)程分別用兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。開(kāi)通電阻的減小會(huì)使電流和電壓的變化速度變快，可能產(chǎn)生電壓電流尖峰引起誤動(dòng)作；開(kāi)通電阻的增加會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，但是減緩了開(kāi)關(guān)速度，降低了這種誤動(dòng)作；關(guān)斷電阻的減小，能夠有效減少I(mǎi)GBT“密勒”效應(yīng)的影響[5]。因此，一般選擇 RGoff＜ RGon。

圖3 將驅(qū)動(dòng)電阻分成開(kāi)通、關(guān)斷兩部分

3.2 RGon、RGoff對(duì)器件的影響

開(kāi)通關(guān)斷電阻對(duì)器件各種動(dòng)態(tài)參數(shù)有重要影響，下面進(jìn)行比對(duì)分析，如表1所示[6]。

表1 柵極電阻對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響

4 柵極驅(qū)動(dòng)電阻選擇時(shí)的計(jì)算方式

如圖4所示，假定驅(qū)動(dòng)器內(nèi)阻為RO，柵極驅(qū)動(dòng)電阻為Rg_ext，IGBT門(mén)極等效電阻為Rg_int。在進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)，可參考下述方式選取柵極驅(qū)動(dòng)電阻Rg_ext的大小。

選擇方式一。考慮驅(qū)動(dòng)器輸出能力時(shí)，有：選擇方式二?？紤]對(duì)IGBT和續(xù)流二極管的沖擊時(shí)，有：

其中，Rg_datasheet為IGBT產(chǎn)品手冊(cè)中給出的柵極驅(qū)動(dòng)電阻推薦值。

圖4 驅(qū)動(dòng)等效電路

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的驅(qū)動(dòng)電阻，最終仍然需要通過(guò)實(shí)際電路測(cè)試確定最終的電阻值。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，需要使得IGBT達(dá)到其額定工作電流、電壓和頻率，這樣考慮驅(qū)動(dòng)電阻的大小才有意義。具體觀察時(shí)，可以用示波器測(cè)試IGBT的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間，并隨時(shí)監(jiān)控IGBT的殼溫。任何驅(qū)動(dòng)電阻選取的不適當(dāng)，最終都會(huì)通過(guò)溫度反映出來(lái)。

5 柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

5.1 驅(qū)動(dòng)平均電流計(jì)算

驅(qū)動(dòng)電源對(duì)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí)，等效為對(duì)門(mén)極電荷進(jìn)行不斷充放電。其中，驅(qū)動(dòng)的頻率、電壓幅值和門(mén)極電荷之間相互關(guān)聯(lián)。驅(qū)動(dòng)平均電流可以表示為：

式中，IAVS是驅(qū)動(dòng)平均電流，單位A；QG是柵極充電總量，單位C；開(kāi)關(guān)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以得到；fs是開(kāi)關(guān)頻率，單位Hz。

如果選用IGBT型號(hào)為IKW40N120T2，則QG=192 nC，開(kāi)關(guān)頻率fs=18 kHz，則平均驅(qū)動(dòng)電流IAVS=3.5 mA。

5.2 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

根據(jù)驅(qū)動(dòng)平均電流，可以得出驅(qū)動(dòng)電源提供的總驅(qū)動(dòng)功率為：

式中，PS是平均驅(qū)動(dòng)功率，單位W；ΔVG是開(kāi)關(guān)電壓壓差，單位V。

如果驅(qū)動(dòng)電壓用+15 V和-15 V，則ΔVG=30 V，可得PS=150 mW。

5.3 驅(qū)動(dòng)峰值電流的計(jì)算

IGBT開(kāi)關(guān)器件由于柵極存在容性，所以在驅(qū)動(dòng)時(shí)需要的峰值驅(qū)動(dòng)電流較大，均值驅(qū)動(dòng)電流則不需要太大。如果忽略輸出阻抗和電感，可以用式（10）估算峰值電流：

式中，IPEAK是柵極峰值驅(qū)動(dòng)電流，單位A；RG是柵極驅(qū)動(dòng)電阻，單位Ω。

6 結(jié) 論

IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)開(kāi)關(guān)特性具有重要影響，而如何選擇其大小是實(shí)際工程中必須面對(duì)的問(wèn)題。本文從IGBT誤動(dòng)作的原理出發(fā)，詳細(xì)描述了驅(qū)動(dòng)電阻大小對(duì)各種動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響，最終給出了詳細(xì)的選擇原則和計(jì)算方法，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用有較高的參考意義。