功率逆變器應(yīng)用采用寬帶隙半導(dǎo)體器件時(shí)，柵極電阻選型注意事項(xiàng)

本文為大家介紹氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導(dǎo)體器件用作電子開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，以及如何權(quán)衡利弊。主要權(quán)衡因素之一是開關(guān)損耗，開關(guān)損耗會(huì)被高 di/dt 和 dv/dt 放大，造成電路噪聲。為了減少電路噪聲，需要認(rèn)真考慮柵極電阻的選擇，從而不必延長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間而造成功率損耗。本文介紹選擇柵極電阻時(shí)的考慮因素，如脈沖功率、脈沖時(shí)間和溫度、穩(wěn)定性、寄生電感等。同時(shí)，將和大家探討不同類型的柵極電阻及其在該應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

寬帶隙半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢(shì)

設(shè)計(jì)出色功效的電子應(yīng)用時(shí)，需要考慮使用新型高性能氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 技術(shù)的器件。與電子開關(guān)使用的傳統(tǒng)硅解決方案相比，這些新型寬帶隙技術(shù)具有祼片外形尺寸小、導(dǎo)熱和熱管理性能優(yōu)異、開關(guān)損耗低等顯著優(yōu)勢(shì)，非常適合工業(yè)、醫(yī)療、通信和車載應(yīng)用電源、驅(qū)動(dòng)器和逆變器等空間受限的應(yīng)用。

不過，設(shè)計(jì)需要考慮一些利弊關(guān)系，特別是開關(guān)損耗。例如，di/dt 和 dv/dt 提高，開關(guān)速度加快，電路頻率振蕩放大，使噪聲成為重要考慮因素。

電路設(shè)計(jì)中的考量因素

典型電路功能中，高邊 (HS) 和低邊 (LS) MOSFET 用作開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載。在 HS 開關(guān)導(dǎo)通，LS 開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電流從電源 V_cc 流向電感器 L_o。反之，在 HS 開關(guān)關(guān)斷，LS 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感器電流繼續(xù)從接地端同步流向 L_o。導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)由柵極電壓定義，柵極電壓的變化影響柵極回路的充放電。開關(guān)時(shí)間和相關(guān)損耗取決于柵極電容通過柵極電流充放電的速度。柵極電流受驅(qū)動(dòng)電壓柵極電阻和驅(qū)動(dòng)電路整體寄生效應(yīng)的影響（圖1a）。

圖1a：柵極驅(qū)動(dòng)電路元件

為了避免同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)斷，需要認(rèn)真選擇柵極電阻解決方案，如高功率厚膜片式電阻、薄膜 MELF 或高功率背接觸電阻。這類解決方案不需要延長(zhǎng)有效轉(zhuǎn)化為功率損耗的“死區(qū)時(shí)間”（HS 和 LS 開關(guān)導(dǎo)通之間的時(shí)間間隔）（圖1b）。

圖1b：同步降壓電路，帶“死區(qū)時(shí)間”的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

選擇柵極電阻技術(shù)的基本考慮因素主要包括脈沖功率、脈沖時(shí)間和溫度以及穩(wěn)定性。使用兩個(gè)柵極電阻時(shí)，通常建議導(dǎo)通柵極電阻值至少是關(guān)斷柵極電阻值的兩倍（圖1c）。重要的是注意關(guān)斷柵極電阻值，避免漏極（或 IGBT 情況下，集電極）電壓上升發(fā)生寄生導(dǎo)通。

圖1c：基礎(chǔ)柵極電路(獨(dú)立導(dǎo)通和關(guān)斷)

同時(shí)，還要考慮柵極電阻的阻值，阻值過高或過低都會(huì)發(fā)生損耗或振蕩。柵極電阻要求能夠承受短時(shí)間高峰負(fù)載，平均功耗隨頻率和占空比而增加。在功能上，電阻能夠?qū)ζ骷?nèi)部寄生電容放電并進(jìn)行 Miller 充電。減小電壓過沖可以降低器件和驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)力，減小寄生電感可以避免開關(guān)過程產(chǎn)生 V_GS 振蕩。 

為了盡量減少電路中的噪聲，縮短布線長(zhǎng)度（減小寄生電感）很重要。因此，通常首選打線或表面貼裝柵極電阻。采用 IGBR 打線電阻的情況下，背接觸具有優(yōu)異導(dǎo)熱性，并最大限度減小器件與 PCB 之間的熱梯度。在連接、外形尺寸和燒結(jié)能力方面，IGBR 電阻在打線連接，小尺寸以及燒結(jié)能力方面的綜合性能可以讓其更靈活地內(nèi)置于高功率半導(dǎo)體模塊或封裝。這樣電阻可以在布局上非常接近開關(guān)器件，從而減少部分寄生元件，有助于降低電路噪聲。

柵極電阻的選型建議

柵極電阻涵蓋多種技術(shù)解決方案，包括高功率厚膜片式電阻 (a)、薄膜 MELF 電阻 (b) 和額定功率達(dá) 4 W 的薄膜襯底電阻 (c)。柵極電阻選型的其他考慮因素包括元件尺寸、精度、可靠性、元件與 PCB 之間的熱性能以及并聯(lián)寄生電感。

圖2. 柵極電阻類型

柵極電阻的阻值 (R_G) 通常為 1 ?  至 100 ? 之間。選擇較低的 R_G 值可以減少器件功耗 (E_ON, E_OFF)，但也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流增加。寬帶半導(dǎo)體器件上升時(shí)間短，因此還要考慮柵極電阻的 RF 影響，平衡開關(guān)損耗與 EMI（電磁干擾）性能。如想減少 EMI，可使用更高阻值的電阻，延長(zhǎng)開關(guān)上升時(shí)間，但這自然會(huì)增加開關(guān)損耗。

根據(jù)電源電路的電感和負(fù)載，不同電阻技術(shù)解決方案的最大工作電壓也是重要的考慮因素，因?yàn)殚_關(guān)過程會(huì)出現(xiàn)電壓脈沖。通過考慮所有這些因素，可以選擇適用的柵極電阻解決方案，滿足功效、可靠性和降噪方面的特定要求。

為滿足瞬態(tài)的高峰電流(可達(dá)到兩位數(shù)電流) 和高頻 (有時(shí)甚至瞬間達(dá)到 MHz )的要求，工作溫度對(duì)電阻就顯得尤為重要。高溫會(huì)造成阻值漂移并且漂移會(huì)隨著時(shí)間增加。阻值的長(zhǎng)期穩(wěn)定性由器件結(jié)構(gòu)決定。

例如，與片式電阻的矩形電阻區(qū)域相比，MELF 電阻的圓柱體電阻區(qū)域面積擴(kuò)大了 π 倍，可顯著提高抗脈沖性能。NiCr 之類穩(wěn)定薄膜材料也具有出色的抗脈沖負(fù)載性能。在空間受限的設(shè)計(jì)中，電源開關(guān)的相對(duì)位置很重要，因?yàn)闊崃靠蓮碾娫撮_關(guān)流入 PCB，從而影響柵極電阻的工作溫度。

如果您想充分利用寬帶隙半導(dǎo)體器件的功效優(yōu)勢(shì)，需要考慮柵極電荷 Qx、開關(guān)頻率、驅(qū)動(dòng)峰值電流以及快速開關(guān)時(shí)開關(guān)的高準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的具體要求，設(shè)計(jì)最佳柵極驅(qū)動(dòng)電路。正確選擇具有相應(yīng)技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)的低阻值柵極電阻對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳電路效率至關(guān)重要。

作者介紹

Jorge Lugo  Vishay 高級(jí)市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理

Andrew Mason  Vishay 高級(jí)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理