深度剖析IGBT柵極驅動注意事項

IGBT晶體管的結構要比 MOSFET 或雙極結型晶體管 (BJT) 復雜得多。它結合了這兩種器件的特點，并且有三個端子：一個柵極、一個集電極和一個發(fā)射極。就柵極驅動而言，該器件的行為類似于 MOSFET。它的載流路徑與 BJT 的集電極-發(fā)射極路徑非常相似。圖 1 顯示了 n 型 IGBT 的等效器件電路。

圖 1. IGBT的等效電路

圖 2. IGBT的導通電流

為了快速導通和關斷 BJT，必須在每個方向上硬驅動柵極電流，以將載流子移入和移出基極區(qū)。當 MOSFET 的柵極被驅動為高電平時，會存在一個從雙極型晶體管的基極到其發(fā)射極的低阻抗路徑。這會使晶體管快速導通。因此，柵極電平被驅動得越高，集電極電流開始流動的速度就會越快?；鶚O和集電極電流如圖 2 所示。

圖 3. IGBT的關斷電流

關斷場景有點不同，如圖 3 所示。當 MOSFET 的柵極電平被拉低時，BJT 中將沒有基極電流的電流路徑?；鶚O電流的缺失會誘發(fā)關斷過程；不過，為了快速關斷，應強制電流進入基極端子。由于沒有可用的機制將載流子從基極掃走，因此 BJT 的關斷相對較慢。這導致了一種被稱為尾電流的現(xiàn)象，因為基極區(qū)中存儲的電荷必須被發(fā)射極電流掃走。

很明顯，更快的柵極驅動 dv/dt 速率（源于更高的柵極電流能力）將會更快地接通和關斷 IGBT，但對于器件的開關速度（特別是關斷速度）而言，是存在固有限制的。正是由于這些限制，開關頻率通常在 20kHz 至 50kHz 范圍內，盡管在特殊情況下它們也可以用于更快和更慢的電路。IGBT 通常用于諧振和硬開關拓撲中的高功率 (Po > 1 kW) 電路。諧振拓撲最大程度降低了開關損耗，因為它們要么是零電壓開關，要么是零電流開關。

較慢的 dv/dt 速率可以提高 EMI 性能（當涉及這方面問題時），并在導通和關斷轉換期間減少尖峰的形成。這是以降低效率為代價的，因為此時導通和關斷的時間會比較長。

MOSFET 存在一種稱為二次導通的現(xiàn)象。這是由于漏電壓的 dv/dt 速率非常快，其范圍可以在 1000–10000 V/us 之間。盡管 IGBT 的開關速度通常不如 MOSFET 快，但由于所使用的是高電壓，因此它們仍然可以遭遇非常高的 dv/dt 電平。如果柵極電阻過高，就會導致二次導通。

圖 4. 帶有寄生電容的IGBT

在這種情況下，當驅動器將柵極電平拉低時，器件開始關斷，但由于 Cgc 和 Cge 分壓器的原因，集電極上的電壓升高會在柵極上產(chǎn)生電壓。如果柵極電阻過高，柵極電壓可升高到足以使器件重新導通。這將導致大功率脈沖，從而可能引發(fā)過熱，在某些情況下甚至會損壞器件。

該問題的限制公式為：

其中，

●   dv/dt 為關斷時集電極上電壓波形上升的速率

●   Vth為柵極的平臺電平

●   Rg為總柵極電阻

●   Cgc 為柵極-發(fā)射極電容

應注意，數(shù)據(jù)表上的 Ciss 是 Cge 和 Cgc 電容的并聯(lián)等效值。

類似地，Rg 是柵極驅動器阻抗、物理柵極電阻和內部柵極電阻的串聯(lián)和。內部柵極電阻有時可根據(jù)數(shù)據(jù)表計算出來。如果計算不出來，可通過以下方式進行測量：使用 LCR 電橋并使集電極-發(fā)射極引腳短路，然后在接近開關頻率的頻率下測量等效串聯(lián) RC。

如果使用的是 FET 輸出級，則可以在其數(shù)據(jù)表中找到驅動器阻抗。如果無法在數(shù)據(jù)表上找到，可通過將峰值驅動電流取為其額定 VCC 電平來進行近似計算。

因此，最大總柵極電阻為：

最大 dv/dt 是基于柵極驅動電流以及 IGBT 周圍的電路阻抗。如果將高值電阻器用于柵極驅動，則需要在實際電路中進行驗證。圖 5 顯示了同一電機控制電路中三個不同 IGBT 的關斷波形。在此應用中，dv/dt 為 3500 V/s。

圖 5. 三個IGBT的關斷波形

對于該情況而言，IGBT #2 的典型 Cgc 為 84 pF，而閾值柵極電壓為 7.5 V（在 15 A 的條件下）。

利用上述公式，該電路的最大總柵極電阻為：

Rg < 25.5 Ω。

因此，如果內部柵極電阻為 2Ω，驅動器阻抗為 5Ω，則所使用的絕對最大柵極電阻應為 18Ω。實際上，由于 IGBT、驅動器、板阻抗和溫度的變化，建議采用一個較小的最大值（例如 12Ω）。

圖 6. 等效柵極驅動電路

去除外部柵極電阻器可能會獲得最佳的高頻性能，同時確保不會發(fā)生二次導通。在某些情況下，這可能會起作用，但也可能由于柵極驅動電路中的阻抗而導致振蕩。

柵極驅動電路為串聯(lián) RLC 諧振電路。電容主要源于 IGBT 寄生電容。所示的兩個電感則源自 IGBT 和驅動器的板走線電感與焊線電感的組合。

在柵極電阻很小或沒有柵極電阻的情況下，諧振電路將會振蕩并造成 IGBT 中的高損耗。此時需要有足夠大的柵極電阻來抑制諧振電路，從而消除振蕩。

由于電感難以測量，因此也就很難計算適合的電阻。要最大程度降低所需的最小柵極電阻，最佳方案是采用良好的布局程序。

驅動器與 IGBT 柵極之間的路徑應盡可能短。這適用于柵極驅動的整個電路路徑以及接地回路路徑。如果控制器不包括集成驅動器，則將 IGBT 驅動器置于 IGBT 的柵極附近要比將柵極驅動器的輸入置于控制器的 PWM 輸出端更為重要。從控制器到驅動器的電流非常小，因此相比從驅動器到 IGBT 的高電流和高 di/dt 電平所造成的影響，任何雜散電容的影響都要小得多。短而寬的走線是最大程度降低電感的最佳方式。

典型的最小驅動器電阻范圍為 2Ω至 5Ω。這其中包括驅動器阻抗、外部電阻值和內部 IGBT 柵極電阻值。一旦設計好板的布局，即可確定并優(yōu)化柵極電阻值。

本文給出了最大和最小柵極電阻值的指南。在這些限值之間有一個取值范圍，藉此可以對電路進行調諧，從而獲得最大效率、最小 EMI 或其他重要參數(shù)。在電路設計中取一個介于這些極值之間的安全值可確保設計的穩(wěn)健。

參考文獻

[1]《Power Semiconductor Devices》（功率半導體器件），B. Jayant Baliga，PWS Publishing Company，Boston。ISBN 0?534?94098?6