解析柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)對IGBT開通的影響

如今，IGBT已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電源領(lǐng)域。與MOSFET相同，它也是一種壓控型器件。其開關(guān)性能可通過IGBT驅(qū)動(dòng)設(shè)置加以控制或影響。優(yōu)化IGBT開關(guān)性能對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言十分重要，因?yàn)椴煌拈_關(guān)損耗會影響散熱設(shè)計(jì)和IGBT使用壽命。

IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路看似很簡單，就是一個(gè)電壓源和一個(gè)柵極電阻。通過改變柵極電阻值，可以影響IGBT開關(guān)性能。但在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用中，會有許多雜散因素有意或無意地產(chǎn)生，比如柵極線纜電感和柵極電容（可能是PCB布線分布電容）。由于IGBT的關(guān)斷特性受母排雜散電感和芯片本身影響很大，所以此文只討論柵極驅(qū)動(dòng)參數(shù)對IGBT開通的影響。

本文選用英飛凌的IGBT模塊PrimePACK™ FF1000R17IE4作為一個(gè)樣本，來研究這些柵極參數(shù)對IGBT開通性能的影響。測試所用的驅(qū)動(dòng)核是英飛凌的EiceDriver™ 2ED300C17-ST，其具備30A的峰值輸出電流功能。

就IGBT開通性能而言，有兩個(gè)比較重要的表現(xiàn)指標(biāo)：一個(gè)是開通時(shí)橋臂電流的變化率di/dt，另一個(gè)是器件從關(guān)斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)所產(chǎn)生的開通損耗。前者如果太高，續(xù)流二極管（FWD）也會有一個(gè)很快的反向恢復(fù)過程，這可能會導(dǎo)致反向恢復(fù)電流出現(xiàn)振蕩從而引起二極管的失效。而后者則是直接關(guān)系到IGBT的工作效率及其對散熱器的設(shè)計(jì)需求，這對成本控制和器件的可靠性非常有意義。影響兩者變化的因素很多，本文主要從柵極電阻，柵極電容和柵極回路電感入手分析。

導(dǎo)通柵極電阻(Rgon)的影響

0.9歐姆Rgon、di/dt:6128A/us、Eon:196mJ

2.6歐姆Rgon、di/dt:4270A/us、Eon:437mJ

4.7歐姆Rgon、di/dt:3283A/us、Eon:650mJ

* 紅色曲線：IGBT橋臂電流；

藍(lán)色曲線：IGBT集電極至發(fā)射極電壓；

綠色曲線：柵極電壓；

黃色曲線：柵極電流。

從圖1中可以看出，隨著Rgon的增大，無論是開通di/dt還是dv/dt都會相應(yīng)地減小，而開通特性就會變軟。這意味著反向恢復(fù)的電流變化率也在減小，二極管的應(yīng)力降低。但另一方面，開通損耗卻迅速增大，達(dá)到3倍之多。所以在選擇柵極開通電阻的時(shí)候不能靠一味地用大的電阻值來減小電流尖峰，而是要盡量地用小電阻值只要不對二極管帶來損傷就行。評判的標(biāo)準(zhǔn)可以是低溫小電流（1/10額定電流）的時(shí)候二極管反向恢復(fù)的時(shí)候不能出現(xiàn)明顯的振蕩。

柵極電容(Cge)的影響

對于一個(gè)開關(guān)器件的使用，快速交變的電壓或者電流可能會對周圍的電子設(shè)備和元器件造成干擾，有時(shí)就需要限制IGBT開通時(shí)的di/dt。用增加?xùn)艠O電阻值的方法可以減小di/dt，但同時(shí)會使開通的dv/dt也變慢，這樣開通損耗就明顯地增加了。為了降低這種di/dt和dv/dt之間的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，可以添加一個(gè)柵極電容（Cge），并適當(dāng)?shù)販p小柵極電阻。圖2顯示的是典型的IGBT開通過程。一般認(rèn)為開通的di/dt（圖2中從t1至t2時(shí)間段）由Rgon和Cge決定；而開通的dv/dt（從t2到t3）則主要由Rgon和Cgc決定。因?yàn)樵诖似陂g，IGBT工作在線性區(qū)，柵極電壓處于米勒電壓平臺，柵極的驅(qū)動(dòng)電流流入IGBT的Cgc。

圖2. 典型的IGBT導(dǎo)通過程

圖3是采用不同的Rgon和Cge組合實(shí)現(xiàn)相同開通損耗的兩組測試結(jié)果。其中圖a是無Cge和較高Rgon的開通波形，圖b是采用200nF的Cge和更低Rgon組合的測試結(jié)果。在開通損耗相似的條件下，圖b的開通di/dt是2492A/us，很顯然小于圖a中的3283A/us，這樣符合IGBT開通優(yōu)化的目標(biāo)。

圖3-1：4.6歐姆Rgon、無Cge、di/dt:3283A/us、Eon:650mJ

圖3-2：1.7歐姆Rgon、200nF Cge、di/dt:2492A/us、Eon:635mJ

圖4展示了采用不同的Rgon和Cge組合以實(shí)現(xiàn)相近的開通di/dt的兩組測試波形，這意味著兩者開通軟度相同。從結(jié)果可以看出，采用Cge并減小Rgon的開通損耗更低，為386mJ，因?yàn)槠鋎v/dt更高。

圖4-1：2.6歐姆Rgon、無Cge、di/dt:4270A/us、Eon:437mJ

1.7歐姆Rgon、46nF Cge、di/dt: 4324A/us、Eon:386mJ

凡事有利必有弊，如果采用Cge優(yōu)化IGBT開通性能，除了增加的柵極電容需要更大的驅(qū)動(dòng)器峰值電流以外，這個(gè)電容還要選擇精度好，溫漂小的一類介質(zhì)電容，這樣即使在IGBT并聯(lián)應(yīng)用中，也可以避免因驅(qū)動(dòng)不對稱導(dǎo)致的電流不均勻。然而一類介質(zhì)電容的容值往往不大，如果是幾百nF的話封裝就很大，比如2220封裝的。

柵極回路電感(Lg)的影響

由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的問題，有時(shí)驅(qū)動(dòng)板不能直接焊在或是螺絲擰在IGBT上，而是通過線纜連接到IGBT的輔助端子。連同驅(qū)動(dòng)電路本身的輸出雜散電感和IGBT內(nèi)部的柵極綁定線雜散電感一起，構(gòu)成了柵極回路電感Lg。它會顯著影響IGBT的開關(guān)性能，尤其是開通性能。

圖5-1：0.9歐姆Rgon、無Cge、8cm柵極線、di/dt:6128A/us、Eon:196mJ

圖5-2：0.9歐姆Rgon、無Cge、100cm柵極線、di/dt:6920A/us、Eon:87mJ

圖5顯示兩種采用不同柵極線纜長度的測試結(jié)果。柵極線纜越長，IGBT開通的速度越快，開通損耗越小。以示波器1通道的柵極電流來看，它在IGBT開啟時(shí)（也就是橋臂電流上升段）逐漸變小，如果柵極電感越大那么柵極電流減少的速度就越慢，從而加速了IGBT的開通。盡管這和減小柵極電阻的情況非常相似，但在實(shí)際應(yīng)用中還是應(yīng)當(dāng)避免采用長柵極線且盡量降低柵極驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感。因?yàn)闁艠O回路電感大可能會導(dǎo)致柵極電壓振蕩和系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以最好是用一塊雜散電感小的柵極適配板直接與IGBT模塊相連，這樣做會讓IGBT開通損耗增大，但是可以考慮采用更小的柵極電阻來較小開通損耗。

總結(jié)

本文主要論述了柵極電阻、柵極電容和柵極回路電感對IGBT開通性能的影響，主要結(jié)果歸納如表1所示。只有綜合考慮這些參數(shù)，才能獲得理想的IGBT開通性能。

表1：驅(qū)動(dòng)參數(shù)對IGBT開關(guān)性能的影響

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