一、前言
IGBT憑借出色的高電壓大電流特點(diǎn)，在電力電子領(lǐng)域中應用越來(lái)越廣泛，作為絕緣柵控制的少子器件，其驅動(dòng)電路的設計關(guān)乎著(zhù)IGBT能否可靠運行，故驅動(dòng)電阻Rg的選型的重要性對于IGBT應用來(lái)說(shuō)就至關(guān)重要。
但Rg的選型是一個(gè)十分復雜的工作，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)減小Rg 會(huì )讓導通和關(guān)斷時(shí)間縮短且開(kāi)關(guān)損耗也會(huì )相應的減小，但引發(fā)的門(mén)極振蕩和高速的di/dt與dv/dt 可能會(huì )對系統帶來(lái)負面的影響。同樣的增加Rg,雖然可以避免上述的一些問(wèn)題，但除了會(huì )增加開(kāi)關(guān)的延遲外，對系統保護與IGBT 自身的保護以及散熱設計也會(huì )產(chǎn)生程度不一的影響。
2、選型分析
因為電路中必然存在雜散電感，所以減小Rg 時(shí)必須考慮di/dt 所產(chǎn)生的影響，過(guò)高的di/dt 除了會(huì )在IGBT 關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的峰值電壓以致于產(chǎn)存在過(guò)壓擊穿的風(fēng)險外，在開(kāi)通時(shí)也容易造成二極管反向恢復電流過(guò)大及IGBT內部的閂鎖(latch-up)進(jìn)而導致失效。
同時(shí)過(guò)高的dv/dt 與di/dt 也會(huì )引發(fā)更高的共模與差模噪聲，導致驅動(dòng)電路甚至其它器件的誤動(dòng)作。當增大Rg時(shí)必須考慮關(guān)斷延時(shí)與門(mén)極電壓抬升的影響，關(guān)斷時(shí)間延長(cháng)而造成死區的設置不足，除了會(huì )增大上下管直通的可能性，在IGBT上下管開(kāi)關(guān)斷的過(guò)程中，產(chǎn)生的飄移電流會(huì )通過(guò)門(mén)極電阻，所以會(huì )給關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT 提供了更高的誤導通的風(fēng)險。
給予足夠的負壓值作關(guān)斷以防止誤導通是最常見(jiàn)的作法,但是過(guò)大的負壓除了進(jìn)一步增加開(kāi)通的延遲外，同時(shí)也也會(huì )加快IGBT 關(guān)斷的速度，增加過(guò)壓擊穿的風(fēng)險。
門(mén)極電阻也決定了短路承受電流的時(shí)間與門(mén)極電壓的抬升的高度，過(guò)小的Rg 會(huì )縮短IGBT 短路電流可以承受的時(shí)間，造成保護不及。但過(guò)大的Rg 也會(huì )促使短路電流的進(jìn)一步增加，同樣可能會(huì )導致IGBT的閂鎖或瞬間過(guò)溫進(jìn)而失效。另外Rg 也影響了IGBT 切換的損耗，進(jìn)而會(huì )影響模塊穩態(tài)操作時(shí)內部溫度升高降低異常操作的余量。
3、選型建議
設置柵極電阻時(shí)，會(huì )涉及到很多實(shí)際問(wèn)題，故此處給出了涉及柵電阻時(shí)的注意事項：
a) 柵電阻盡量靠近IGBT減小引線(xiàn)長(cháng)度；
b) 驅動(dòng)的柵射極引線(xiàn)絞合，并且不要用過(guò)粗的線(xiàn)；
c) 線(xiàn)路板上的 2 根驅動(dòng)線(xiàn)的距離盡量靠近并平行差分走線(xiàn)；
d) 柵極電阻盡量使用無(wú)感電阻；
e) 如果是有感電阻，可以用幾個(gè)并聯(lián)以減小電感。
f) 柵極電阻應盡量靠近IGBT柵極
設置柵極電阻時(shí)，對其功率建議如下：
P turn on = F × Qg × +Vge + Cies × (?Vge)
P(turn on) = P(turn off )
P(driving) = P(turn on) + P(turn off )
= F × Qg × +Vge + Cies × ?Vge
選用門(mén)極電阻的功率等極必須大于計算總功耗的2 倍以上。
P(turn on)：開(kāi)通時(shí)損耗在Rg 的功耗；
P(turn off)：關(guān)斷時(shí)損耗在Rg 的功耗；
P(driving) : 損耗在Rg 的總功耗；
+Vge：正向偏置電源電壓；
-Vge：反向偏置電源電壓；
F：開(kāi)關(guān)頻率；
Qg：從0V 到+Vge 為止的充電電荷量；
Cies：IGBT 輸入電容；
4、驅動(dòng)電阻Rg變化影響特性關(guān)系
在特定驅動(dòng)情況下，柵極電阻變化與IGBT參數特性變化如下表1所示。
表1：柵極電阻與IGBT特征參數關(guān)系表
IGBT特征參數 | 門(mén)極電阻增大 | 門(mén)極電阻減小 |
Ton | 增大 | 減小 |
Toff | 增大 | 減小 |
Td(on) | 增大 | 減小 |
Td(off) | 增大 | 減小 |
Eon | 增大 | 減小 |
Eoff | 增大 | 減小 |
Vce(spike) | 減小 | 增大 |
開(kāi)通浪涌電流 | 減小 | 增大 |
關(guān)斷浪涌電壓 | 減小 | 增大 |
導通峰值電流 | 減小 | 增大 |
二極管關(guān)斷尖峰電流 | 減小 | 增大 |
dv/dt | 減小 | 增大 |
di/dt | 減小 | 增大 |
EMI | 減小 | 增大 |
EMS | 減小 | 增大 |
5、君芯IGBT單管及模塊Rg選型推薦表
表2：IGBT單管Rg選型推薦表
型號 | 初始阻值 | 電阻功率要求 | di/dt | 適用領(lǐng)域 |
KWBW15N120S1E1 | 20 ohm | >=0.25W | <=3000A/us | IH |
KWBW25N120S1E1 | 10 ohm | >=0.25W | <=6000A/us | 逆變焊機 |
KWBW15N120S2E1 KWBW15N120S3E1 | 20 ohm | >=0.25W | <=6000A/us | 逆變焊機 |
KWBW25N120S2E1 KWBW25N120S3E1 | 20 ohm | >=0.25W | <=6000A/us | 逆變焊機 |
KWBW40N65S2E1 | 15 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 逆變焊機 |
KWBW40N120S1E6 KWBL40N120S1E6 KWBW40N120S2E1 | 15 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 逆變焊機 |
KWBW40N120S3E1 | 15 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 變頻 |
備注： 驅動(dòng)電壓：±15V |
表3：IGBT模塊Rg選型推薦表
型號 | 初始阻值 | 電阻功率要求 | di/dt | 適用領(lǐng)域 |
KWRFF40R12SWM | Ron=15 ohm Roff=5.1 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 逆變焊機 |
KWRFF75R12SWM | Ron=15 ohm Roff=5.1ohm | >=0.25W | <=8000A/us | 逆變焊機 |
KWFFP15R12NS3 | 86 | >=0.25W | <=6000A/us | 變頻 |
KWMFP25R12NS3 KWMFP25R12NS3_B | 56 | >=0.25W | <=6000A/us | 變頻 |
KWMFP40R12NS3 KWMFP40R12NS3_B | 36 | >=0.5W | <=6000A/us | 變頻 |
備注： 驅動(dòng)電壓：±15V |
6、總結：
柵極電阻Rg的選型是一個(gè)關(guān)乎系統穩定性的工作，通常是由工程師根據實(shí)際的性能要求調整而定，但通過(guò)君芯的選型建議，可以加快該工作的進(jìn)度，確?？蛻?hù)能夠較快應用君芯產(chǎn)品。
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