IGBT柵極驅動電阻的選擇和計算

韓朋樂

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450001）

0 引 言

IGBT是常用的電力電子開關元件，其驅動輸入端呈現容性。當使用PWM信號對IGBT進行控制驅動時，信號會通過柵極驅動電阻對器件的輸入端進行充放電。因此，柵極電阻對IGBT的開關時間、損耗等開關參數有重要影響，也決定了開關過程的EMI干擾和電壓、電流的上升下降速率。所以，柵極驅動電阻的大小對IGBT驅動電路的設計重要性不言而喻?，F有的各種數據手冊中一般僅僅給出驅動電阻的測試典型值，并未對其大小進行選擇計算。因此，本文著眼于這一問題，給出了驅動電阻的選擇和計算方法。

1 由柵極電阻引起的誤動作

1.1 與IGBT結電容相關聯的誤開通

IGBT的集電極-柵極和發射極-柵極之間存在著結電容，分別是CCG和CCE，是由器件的固有工藝結構引起的。當IGBT關斷時，由于線路中的感性，使得電流并不會立即消失，而是尋找合適的通路。同時，突變的電壓會引起這一電流通路，結電容的存在使得關斷電流沿著柵極驅動電阻到地。當這一電流足夠大時，柵極會產生一個足夠高的電壓，使得器件開通[1]，如圖1所示。

其中，RDriver是驅動芯片的輸出等效電阻，柵極驅動電阻是RGon/off，IGBT柵極的等效電阻是RGint。在開關管關斷時，開關管兩端電壓產生突變，變化的電壓會在結電容CCG兩端產生電流：

因此，結電容CCG會不斷充電。CCG和CGE相互串聯，進行分壓。電流iCG通過結電容CCG、驅動電阻RGon/off、CGE回到驅動地，于是柵極電阻兩端會產生一個并不需要的電平：

當這一電平值的大小超過IGBT的開通閾值電壓時，IGBT就會發生誤開通。

圖1 結電容上的電流流向

1.2 與線路分布電感相關聯的誤開通

類似于一般的橋式電路，當T1斷開后，另一IGBT的反并聯二極管D2會進入續流階段[2]。由于二極管的反向恢復特性，使得在續流結束后，二極管D2會產生一個反向恢復電流iC2，且其大小逐漸變小。如圖2所示，這一減小的電流會在開關管T2的發射端分布電感LσE2上產生電壓：

使得T2發射極有一個負電壓。如果這一負電壓足夠大，超過了開關管的導通閾值電壓，會使得T2誤開通。

通過上述分析可以得出，柵極驅動電阻對開關管的動態參數影響很大：驅動電阻越小，結電容充放電速度越快，使得開關時間越短，進而降低了開關通態損耗[3]。但是，在開關管斷開或者反并聯二極管續流結束后，結電容的存在會使得IGBT柵極電阻兩端感應出一個電平，嚴重時會使開關管誤開通，或者在柵極產生振鈴，嚴重影響開關管的特性和系統安全。而柵極驅動電阻越小，會使得開關管開通時di/dt變大，進而在結電容兩端產生更高的電壓變化率，使得續流二極管的恢復浪涌電壓增大，同時疊加分布電感的影響產生誤開通。而驅動電阻過大，會降低開關速度，增加了通態損耗。

圖2 線路分布電感引起的負壓

除了上述從損耗、開關速度的角度進行的分析，實際上驅動電阻的大小還會影響開關頻率和器件的安全工作區，所以IGBT柵極驅動電阻的選擇是一個折衷的過程[4]。

2 柵極電阻選擇的原則

驅動電阻過大或者過小都有不同的優缺點，實際選擇時應該在保證器件功率要求的前提下，盡量減小驅動電阻的阻值。這樣能夠盡量減小開關損耗，提升器件開關速度，對IGBT器件尤為重要。因為目前在普遍意義上，IGBT的開關速度雖然有了較大提升，但是仍然小于MOS器件。所以，只要驅動電阻能夠規避di/dt和du/dt產生的影響，就應該選取的更小，以充分發揮器件性能。因此，在開關頻率較高時，驅動電平的上升下降速度更快，應選取更小的驅動電阻提高開關頻率；而在開關頻率較低時，對驅動電平的上升下降速度要求并不高，應選取更大的驅動電阻。

3 柵極電阻的選擇建議

從上述分析得到，柵極電阻選擇時應折衷考慮。不同工作環境會有不同的選擇要求，下面探討具體的選擇建議。

3.1 將柵極電阻分成開通關斷兩個電阻

開通時，開通電阻RGon起作用；關斷時，關斷電阻RGoff起作用。將開通和關斷兩個過程分別用兩個電阻實現，如圖3所示。開通電阻的減小會使電流和電壓的變化速度變快，可能產生電壓電流尖峰引起誤動作；開通電阻的增加會增加開關損耗，但是減緩了開關速度，降低了這種誤動作；關斷電阻的減小，能夠有效減少IGBT“密勒”效應的影響[5]。因此，一般選擇 RGoff＜ RGon。

圖3 將驅動電阻分成開通、關斷兩部分

3.2 RGon、RGoff對器件的影響

開通關斷電阻對器件各種動態參數有重要影響，下面進行比對分析，如表1所示[6]。

表1 柵極電阻對開關性能的影響

4 柵極驅動電阻選擇時的計算方式

如圖4所示，假定驅動器內阻為RO，柵極驅動電阻為Rg_ext，IGBT門極等效電阻為Rg_int。在進行實際計算時，可參考下述方式選取柵極驅動電阻Rg_ext的大小。

選擇方式一?？紤]驅動器輸出能力時，有：選擇方式二?？紤]對IGBT和續流二極管的沖擊時，有：

其中，Rg_datasheet為IGBT產品手冊中給出的柵極驅動電阻推薦值。

圖4 驅動等效電路

經過計算得到的驅動電阻，最終仍然需要通過實際電路測試確定最終的電阻值。在實際測試時，需要使得IGBT達到其額定工作電流、電壓和頻率，這樣考慮驅動電阻的大小才有意義。具體觀察時，可以用示波器測試IGBT的開通關斷時間，并隨時監控IGBT的殼溫。任何驅動電阻選取的不適當，最終都會通過溫度反映出來。

5 柵極驅動參數計算

5.1 驅動平均電流計算

驅動電源對開關管驅動時，等效為對門極電荷進行不斷充放電。其中，驅動的頻率、電壓幅值和門極電荷之間相互關聯。驅動平均電流可以表示為：

式中，IAVS是驅動平均電流，單位A；QG是柵極充電總量，單位C；開關器件的數據手冊中可以得到；fs是開關頻率，單位Hz。

如果選用IGBT型號為IKW40N120T2，則QG=192 nC，開關頻率fs=18 kHz，則平均驅動電流IAVS=3.5 mA。

5.2 驅動功率計算

根據驅動平均電流，可以得出驅動電源提供的總驅動功率為：

式中，PS是平均驅動功率，單位W；ΔVG是開關電壓壓差，單位V。

如果驅動電壓用+15 V和-15 V，則ΔVG=30 V，可得PS=150 mW。

5.3 驅動峰值電流的計算

IGBT開關器件由于柵極存在容性，所以在驅動時需要的峰值驅動電流較大，均值驅動電流則不需要太大。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是柵極峰值驅動電流，單位A；RG是柵極驅動電阻，單位Ω。

6 結 論

IGBT柵極驅動電阻對開關特性具有重要影響，而如何選擇其大小是實際工程中必須面對的問題。本文從IGBT誤動作的原理出發，詳細描述了驅動電阻大小對各種動態參數的影響，最終給出了詳細的選擇原則和計算方法，對實際工程應用有較高的參考意義。