解析柵極驅動參數對IGBT開通的影響

如今，IGBT已被廣泛應用于工業電源領域。與MOSFET相同，它也是一種壓控型器件。其開關性能可通過IGBT驅動設置加以控制或影響。優化IGBT開關性能對于系統設計而言十分重要，因為不同的開關損耗會影響散熱設計和IGBT使用壽命。

IGBT的柵極驅動電路看似很簡單，就是一個電壓源和一個柵極電阻。通過改變柵極電阻值，可以影響IGBT開關性能。但在現實系統應用中，會有許多雜散因素有意或無意地產生，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動參數對IGBT開通的影響。

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

就IGBT開通性能而言，有兩個比較重要的表現指標：一個是開通時橋臂電流的變化率di/dt，另一個是器件從關斷狀態到導通狀態所產生的開通損耗。前者如果太高，續流二極管（FWD）也會有一個很快的反向恢復過程，這可能會導致反向恢復電流出現振蕩從而引起二極管的失效。而后者則是直接關系到IGBT的工作效率及其對散熱器的設計需求，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；

藍色曲線：IGBT集電極至發射極電壓；

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都會相應地減小，而開通特性就會變軟。這意味著反向恢復的電流變化率也在減小，二極管的應力降低。但另一方面，開通損耗卻迅速增大，達到3倍之多。所以在選擇柵極開通電阻的時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。評判的標準可以是低溫小電流（1/10額定電流）的時候二極管反向恢復的時候不能出現明顯的振蕩。

柵極電容(Cge)的影響

對于一個開關器件的使用，快速交變的電壓或者電流可能會對周圍的電子設備和元器件造成干擾，有時就需要限制IGBT開通時的di/dt。用增加柵極電阻值的方法可以減小di/dt，但同時會使開通的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之間的聯動效應，可以添加一個柵極電容（Cge），并適當地減小柵極電阻。圖2顯示的是典型的IGBT開通過程。一般認為開通的di/dt（圖2中從t1至t2時間段）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。因為在此期間，IGBT工作在線性區，柵極電壓處于米勒電壓平臺，柵極的驅動電流流入IGBT的Cgc。

圖2. 典型的IGBT導通過程

圖3是采用不同的Rgon和Cge組合實現相同開通損耗的兩組測試結果。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開通優化的目標。

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組合以實現相近的開通di/dt的兩組測試波形，這意味著兩者開通軟度相同。從結果可以看出，采用Cge并減小Rgon的開通損耗更低，為386mJ，因為其dv/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優化IGBT開通性能，除了增加的柵極電容需要更大的驅動器峰值電流以外，這個電容還要選擇精度好，溫漂小的一類介質電容，這樣即使在IGBT并聯應用中，也可以避免因驅動不對稱導致的電流不均勻。然而一類介質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

由于系統結構的問題，有時驅動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。連同驅動電路本身的輸出雜散電感和IGBT內部的柵極綁定線雜散電感一起，構成了柵極回路電感Lg。它會顯著影響IGBT的開關性能，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（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，但在實際應用中還是應當避免采用長柵極線且盡量降低柵極驅動回路的雜散電感。因為柵極回路電感大可能會導致柵極電壓振蕩和系統不穩定。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

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，主要結果歸納如表1所示。只有綜合考慮這些參數，才能獲得理想的IGBT開通性能。

表1：驅動參數對IGBT開關性能的影響

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