如何通過門極電阻來調整IGBT開關的動態特性呢？

IGBT的開關特性是通過對門極電容進行充放電來控制的，實際應用中經常使用＋15V的正電壓對IGBT進行開通，再由-5V…-8V…-15V的負電壓進行關斷。門極電容的充放電速度可以通過控制門極電阻來實現，所以我們可以通過門極電阻來調整IGBT開關的動態特性，如圖1所示。

圖1 IGBT門極控制示意圖

門極電阻可以影響IGBT的開關時間、開關損耗、反偏安全工作區（RBSOA）、短路安全工作區（SCSOA）、EMI、dv/dt、di/dt和續流二極管的反向恢復電流等。所以需要根據不同的應用條件謹慎地選擇最優門極電阻，比如不同的IGBT芯片特性、二極管特性、開關頻率、損耗要求、系統雜散電感、直流母線電壓和驅動能力等，一個完整的IGBT門極電阻選型需要綜合考慮以上各種因素。

IGBT開關特性與門極電阻的關系

外部門極電阻RG會影響IGBT的開關特性。IGBT的開關過程就是對門極輸入電容的充放電過程，輸入電容在開關過程中是變化的，而門極電阻可以通過限制門極脈沖電流（IG）的幅值來控制IGBT開通和關斷的時間，如圖2所示。

圖2 IGBT開通和關斷時的門極電流示意圖

圖3 IGBT開關損耗和開關時間與門極電阻RG的關系

減小門極電阻時需要考慮大電流快速開關帶來的di/dt問題。過大的di/dt會通過回路雜散電感產生很高的電壓尖峰，這個尖峰電壓可由公式（1）得出：

這種電壓尖峰可以在IGBT的關斷波形中觀察到，如圖4所示，陰影部分的面積代表對應的開關損耗。過大的瞬時電壓尖峰疊加在IGBT的集電極和發射極上有可能損壞IGBT，尤其是在短路工況時，大電流關斷IGBT會引起很大的di/dt。通常增大門極電阻可以減小Vstray，降低IGBT過壓失效的風險。

圖4 IGBT開通與關斷波形

在半橋拓撲中，需要在上下橋臂開關切換之間加入互鎖和死區時間，這時需要考慮門極電阻對開關時間的影響。比如較大的關斷電阻RG(off)會延長IGBT的下降時間，這樣實際的死區時間就有可能大于設置的最小死區時間，引起橋臂直通。

過快的開關速度帶來更高的dv/dt和di/dt，會造成更惡劣的EMI環境，實際應用中可能會對控制電路等產生干擾。圖5描述了di/dt與門極電阻大小的關系。

圖5 IGBT開通關斷過程中di/dt與門極電阻的RG的關系

表1描述了IGBT開關特性與門極電阻變化的關系。

表1 IGBT開關特性和門極電阻的關系

續流二極管開關特性與門極電阻的關系

續流二極管的開關特性同樣受到門極電阻的影響，它限制了允許的最小門極開通電阻RG(on)。這意味著IGBT的開通速度不能一味加快，它必須和配套使用的續流二極管的反向恢復特性相匹配。此外過大的IRRM也會增加續流二極管反向恢復損耗。圖6描述了續流二極管的反向恢復峰值電流IRRM隨著換流速度diF/dt的增大而增大，而diF/dt的大小是由IGBT的開通電阻RG(on)來控制的。

圖6 續流二極管反向恢復峰值電流與diF/dt和RG的關系以及續流二極管的反向恢復特性

在賽米控的IGBT模塊中，常配合使用經過特殊設計和優化的CAL（Control Axial Lifetime）續流二極管，它具有較軟的反向恢復特性，可以減小反向恢復電流從而降低IGBT開通損耗和二極管的反向恢復損耗。

驅動輸出形式與門極電阻的配置

門極驅動電路的輸出極一般使用兩個MOSFET組成圖騰柱的形式。兩個MOSFET由同一個驅動信號控制。當驅動信號是高電平時，N溝道MOSFET開通，當驅動信號是低電平時，P溝道MOSFET開通，這兩個MOSFET構成一個推挽輸出。圖7列舉了幾種常見的電阻連接方式，包含對稱和非對稱的門極控制。

圖7 IGBT門極電阻連接形式

門極電阻的選型經驗

門極電阻的選型原則是達到最優的開關特性，包括較低的開關損耗、IGBT模塊沒有振蕩、較低的續流二極管反向恢復電流、以及對最大dv/dt和di/dt的控制。以下是門極電阻選型中的一些經驗：

一般來說，額定電流大的IGBT模塊可以用較小的門極電阻驅動，而額定電流小的IGBT模塊一般需要用到較大的門極電阻。
最優的門極電阻值一般會在IGBT規格書中標注的值的一倍到兩倍之間。這個經驗適用于大部分的應用場合。IGBT規格書中給出的門極電阻一般是最小值，在標注的條件下，IGBT能在兩倍的額定電流下安全關斷。但實際應用參數和測試參數有所區別，所以規格書中的門極電阻值一般很難達到。最優的門極電阻值還是需要測試最終的系統來確定，可以使用兩倍的規格書給定電阻值作為起始值進行測試。
多數應用情況下，開通門極電阻RG(on)會比關斷門極電阻RG(off)小，根據實際的應用條件，RG(off)大概可以是RG(on)的兩倍。
盡量地減小系統中尤其是直流母線的雜散電感非常重要，這有利于把IGBT的關斷電壓尖峰控制在規格書給定的范圍內，特別是在短路關斷時。一個簡單有效的降低短路關斷電壓尖峰的方法是使用軟關斷電路。當驅動檢測到短路發生時，會使用一個較大的關斷電阻來減緩IGBT的關斷速度。

最大門極電流的限制

最小門極電阻確定了最大門極峰值電流。增大門極峰值電流能減小開關時間，從而降低開關損耗。但最大的門極峰值電流又受限于驅動的輸出能力。驅動的規格書中一般會定義最大門極電流輸出能力，即定義了最小允許的門極電阻，應用中應考慮這個因素避免驅動過載失效。實際測試中，門極電流可能會比理論計算小一些，這是因為IGBT內置門極電阻RG(int)和門極回路雜散電感的存在。RG(int)在IGBT規格書中會標明。圖8給出了門極電流波形和峰值電流的理論計算公式。