如何選擇IGBT的門極驅動電阻

IGBT可以說是變頻器和逆變器燈高頻開關電路中的核心器件，在由IGBT構成的電力電子開關電路中我們都是透過控制IGBT來對門極電容進行充放電的，在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。門極電阻可以說是IGBT開關的關鍵器件之一可以說門極電阻的選擇很大程度上決定了驅動電路的質量可靠性。門極電容的充放電速度可以透過控制門極電阻來實現，所以我們可以透過門極電阻來調整IGBT開關的動態特性，如圖1所示。

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和續流二極體的反向恢復電流等。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晶片特性、二極體特性、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係

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，而門極電阻可以透過限制門極脈衝電流（IG）的幅值來控制IGBT開通和關斷的時間，如圖2所示。

由於柵極峰值電流的增加，導通和關斷的時間將會縮短且開關損耗也將會減少。減小 RG（on）和 RG（off）的阻值會影響柵極峰值電流。下列圖表顯示開關損耗和開關時間依賴於特定的柵極電阻值。

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會透過迴路雜散電感產生很高的電壓尖峰，這個尖峰電壓可由圖（4）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。

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於設定的最小死區時間，引起橋臂直通。

續流二極體開關特性與門極電阻的關係

續流二極體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體的反向恢復特性相匹配。此外過大的IRRM也會增加續流二極體反向恢復損耗。續流二極體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。實際應用中具有較軟的反向恢復特性的續流二極體可以減小反向恢復電流從而降低IGBT開通損耗和二極體的反向恢復損耗。

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由同一個驅動訊號控制。當驅動訊號是高電平時，N溝道MOSFET開通，當驅動訊號是低電平時，P溝道MOSFET開通，這兩個MOSFET構成一個推輓輸出。

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模組沒有振盪、較低的續流二極體反向恢復電流、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：

a）一般來說，額定電流大的IGBT模組可以用較小的門極電阻驅動，而額定電流小的IGBT模組一般需要用到較大的門極電阻。

b）最優的門極電阻值一般會在IGBT規格書中標註的值的一倍到兩倍之間。這個經驗適用於大部分的應用場合。IGBT規格書中給出的門極電阻一般是最小值，在標註的條件下，IGBT能在兩倍的額定電流下安全關斷。但實際應用引數和測試引數有所區別，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。

c）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。

d）儘量地減小系統中尤其是直流母線的雜散電感非常重要，這有利於把IGBT的關斷電壓尖峰控制在規格書給定的範圍內，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。

在實際的應用中我們經常會看到因為門極電阻損壞導致IGBT模組過載燒損更有直接炸機的情況出現，更有因為IGBT的門極電阻損壞導致逆變器/變頻器模組發熱嚴重的情況出現下圖（5）就是一起典型的門極電阻失效導致IGBT損壞的情況。

常見鼓掌排查

《道德經》有言：“玄而又玄，謂之眾妙之門”在平時的工作過程中雖然經常碰到一個問題莫名其妙的出現，最後又莫名其妙的解決的情況出現讓人找不到頭緒但是實際工作過程中畢竟還是可以尋找到一些規律的。在文章的最後我總結了一下平時工作過程中排查門極電阻有關故障的一些常見情況，圖（6）列出了實際應用中經常出現的可能與門極電阻有關係的一些問題，這有助於我們分析查詢原因。

本文在寫作過程中參考了賽米控的工程部門的應用文件AN-7003，另一方面也是因為在平時的工作過程中確實遇到了相關的問題，這篇文章給了我很好的啟發，如果你在工作過程中也遇到過類似的問題想要進一步研究一下賽米控的工程師們的解決方案，可以在公眾號留言AN-7003獲取這篇參考文獻。

參考文獻：

M。 Hermwille， Semikron AN-7003 “Gate Resitor - Principle and Application”