中心論題：
- 柵極電阻影響IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗及各種其他參數(shù)，必須根據(jù)具體應(yīng)用的參數(shù)非常仔細地選擇和優(yōu)化
- 減小柵極電阻阻值可降低IGBT的開關(guān)損耗，但要注意快速的導(dǎo)通關(guān)斷所帶來的電壓尖峰和電磁干擾
- 保護IGBT的續(xù)流二極管的開關(guān)特性也受柵極電阻的影響，并限制柵極阻抗的最小值
- 柵極電阻的計算和最終確定
解決方案：
- 測試和衡量最終系統(tǒng)是確定柵極電阻最終最優(yōu)值的唯一途徑，最優(yōu)的柵極電阻值一般介于IGBT數(shù)據(jù)表中所列的值和其兩倍之間
- 柵極電阻建議使用并聯(lián)形式，并必須具有一定的峰值功率
- 用軟關(guān)斷電路減小短路時的電壓尖峰，通過縮短柵極電阻電路和IGBT模塊之間的連線或用比最小值大的柵極電阻來衰減柵極振蕩
用于控制、調(diào)節(jié)和開關(guān)目的的功率半導(dǎo)體需要更高的電壓和更大的電流。功率半導(dǎo)體的開關(guān)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(dǎo)通，負輸出電壓為-5 …-8…-15V時，IGBT關(guān)斷。IGBT的動態(tài)性能可通過柵極電阻值來調(diào)節(jié)。柵極電阻影響IGBT的開關(guān)時間、開關(guān)損耗及各種其他參數(shù)，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(jù)具體應(yīng)用的參數(shù)非常仔細地選擇和優(yōu)化。
每個IGBT開關(guān)特性的設(shè)定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT的輸入電容在開關(guān)期間是變化的，必須被充放電，柵極電阻通過限制導(dǎo)通和關(guān)斷期間柵極電流（IG）脈沖的幅值來決定充放電多長時間（見圖1）。由于柵極峰值電流的增加，導(dǎo)通和關(guān)斷的時間將會縮短且開關(guān)損耗也將會減少。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(chǎn)生的電流隨時間變化特性di/dt。電路中存在雜散電感在IGBT上產(chǎn)生大的電壓尖峰。這一效果可在圖2所示的IGBT關(guān)斷時波形圖中觀察到。圖中的陰影部分顯示了關(guān)斷損耗的相對值。集電極-發(fā)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(guān)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(dǎo)通和關(guān)斷會分別帶來較高的dv/dt和di/dt，因此會產(chǎn)生更多的電磁干擾（EMI），從而可能導(dǎo)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(dǎo)通、關(guān)斷/柵極電流
圖2 IGBT關(guān)斷
表1 變化率/特性
保護IGBT的續(xù)流二極管的開關(guān)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(dǎo)通開關(guān)速度只能提高到一個與所用續(xù)流二極管反向恢復(fù)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(yīng)力，而且由于IGBT模塊中diC/dt的增大，也增大了續(xù)流二極管的過壓極限。通過使用特殊設(shè)計和優(yōu)化的帶軟恢復(fù)功能的CAL（可控軸向壽命）二極管，使得反向峰值電流小，從而使橋路中IGBT的導(dǎo)通電流小。
柵極驅(qū)動電路的驅(qū)動器輸出級是一種典型的設(shè)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(qū)動。當信號為高電平時，N通道 MOSFET導(dǎo)通，當信號為低電平時，P通道MOSFET導(dǎo)通，從而產(chǎn)生一個兩晶體管推挽輸出配置。MOSFET的輸出級可有一路或兩路輸出。根據(jù)輸出級有一路還是兩路輸出，可實現(xiàn)具有一個或兩個柵極電阻（導(dǎo)通，關(guān)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
柵極電阻的計算
對于低開關(guān)損耗，無IGBT模塊振蕩，低二極管反向恢復(fù)峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現(xiàn)出最佳的開關(guān)特性。通常在應(yīng)用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅(qū)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(shù)據(jù)手冊中所給的電阻值必須為每個設(shè)計而優(yōu)化。IGBT數(shù)據(jù)手冊中指定了柵極電阻值。然而，最優(yōu)的柵極電阻值一般介于IGBT數(shù)據(jù)表中所列的值和其兩倍之間。IGBT數(shù)據(jù)表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(guān)斷。在實際中，由于測試電路和各個應(yīng)用參數(shù)的差異，IGBT數(shù)據(jù)表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(shù)據(jù)表值），可被作為優(yōu)化的起點，以相應(yīng)地減少柵級電阻值。確定最終最優(yōu)值的唯一途徑是測試和衡量最終系統(tǒng)。使應(yīng)用中的寄生電感最小很重要。這對于保持IGBT的關(guān)斷過電壓在數(shù)據(jù)表的指定范圍內(nèi)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(dǎo)通和關(guān)斷時間以及開關(guān)損耗。柵級峰值電流的最大值和柵級電阻的最小值分別由驅(qū)動器輸出級的性能決定。
設(shè)計、布局和疑難解答
為了能夠經(jīng)受住應(yīng)用中出現(xiàn)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。由于柵級電阻上的大負載，建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產(chǎn)生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時運行，但開關(guān)損耗較大。選擇錯誤的柵極電阻，可能會導(dǎo)致問題和不希望的結(jié)果。所選的柵極電阻值太大，將導(dǎo)致?lián)p耗過大，應(yīng)減小柵極電阻值。應(yīng)銘記整個應(yīng)用中的開關(guān)性能。過高的柵極電阻值可能會導(dǎo)致IGBT在開關(guān)期間在長時間運行在線性模式下，最終導(dǎo)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(dǎo)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(xù)的脈沖流。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(dǎo)致EMI噪聲。
應(yīng)用（直流環(huán)節(jié)）中的電感過大或者使用的關(guān)斷柵級電阻小，將導(dǎo)致更大的di/dt，從而產(chǎn)生過大的IGBT電壓尖峰。因此應(yīng)盡量減小電感或者增大關(guān)斷柵級電阻值。為減小短路時的電壓尖峰，可使用軟關(guān)斷電路，它可以更緩慢地關(guān)斷IGBT。柵極電阻電路和IGBT模塊之間的距離應(yīng)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(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感。結(jié)合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個振蕩LC電路。可簡單地通過縮短連線或者用比最小值(RG(min)≥2√(Lwire/Cies))大的柵極電阻來衰減這種振蕩。
