柵極電阻疑難解答

為了能夠經(jīng)受住應用中出現(xiàn)的大負載，柵極電阻必須滿足一定的性能要求并具有一定的特性。由于柵級電阻上的大負載，建議使用電阻并聯(lián)的形式。這將產(chǎn)生一個冗余，如果一個柵極電阻損壞，系統(tǒng)可臨時運行，但開關損耗較大。選擇錯誤的柵極電阻，可能會導致問題和不希望的結果。所選的柵極電阻值太大，將導致?lián)p耗過大，應減小柵極電阻值。應銘記整個應用中的開關性能。過高的柵極電阻值可能會導致IGBT在開關期間在長時間運行在線性模式下，最終導致柵極振蕩。然而，萬一電阻的功耗和峰值功率能力不夠，或者使用了非防浪涌電阻，都會導致柵極電阻過熱或燒毀。運行期間，柵極電阻不得不承受連續(xù)的脈沖流。因此，柵極電阻必須具有一定的峰值功率能力。使用非常小的柵極電阻，會帶來更高的dv/dt或di/dt，但也可能會導致EMI噪聲。

應用(直流環(huán)節(jié))中的電感過大或者使用的關斷柵級電阻小，將導致更大的di/dt，從而產(chǎn)生過大的IGBT電壓尖峰。因此應盡量減小電感或者增大關斷柵級電阻值。為減小短路時的電壓尖峰，可使用軟關斷電路，它可以更緩慢地關斷IGBT。柵極電阻電路和IGBT模塊之間的距離應盡可能短。如果柵極電阻和IGBT模塊之間的連線過長，將會在柵極-發(fā)射極的通道上產(chǎn)生較大的電感。結合IGBT的輸入電容，該線路電感將形成一個振蕩LC電路?？珊唵蔚赝ㄟ^縮短連線或者用比最小值(RG(min)≥2√(Lwire/Cies))大的柵極電阻來衰減這種振蕩。

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對于低開關損耗，無IGBT模塊振蕩，低二極管反向恢復峰值電流和最大dv/dt限制，柵極電阻必須體現(xiàn)出最佳的開關特性。通常在應用中，額定電流大的IGBT模塊將采用較小的柵極電阻驅動;同樣的，額定電流小的IGBT模塊，將需要較大的柵極電阻。也就是說，IGBT數(shù)據(jù)手冊中所給的電阻值必須為每個設計而優(yōu)化。IGBT數(shù)據(jù)手冊中指定了柵極電阻值。然而，最優(yōu)的柵極電阻值一般介于IGBT數(shù)據(jù)表中所列的值和其兩倍之間。IGBT數(shù)據(jù)表中所指定的值是最小值;在指定條件下，兩倍于額定電流可被安全地關斷。在實際中，由于測試電路和各個應用參數(shù)的差異，IGBT數(shù)據(jù)表中的柵極電阻值往往不一定是最佳值。上面提到的大概的電阻值(即兩倍的數(shù)據(jù)表值)，可被作為優(yōu)化的起點，以相應地減少柵級電阻值。確定最終最優(yōu)值的唯一途徑是測試和衡量最終系統(tǒng)。使應用中的寄生電感最小很重要。這對于保持IGBT的關斷過電壓在數(shù)據(jù)表的指定范圍內(nèi)是必要的，特別是在短路情況下。柵極電阻決定柵極峰值電流IGM。增大柵極峰值電流將減少導通和關斷時間以及開關損耗。柵級峰值電流的最大值和柵級電阻的最小值分別由驅動器輸出級的性能決定。

一種平板電容結構及平板電容、柵極和電阻的形成工藝方法，它可以簡化工藝，降低成本。在所述的平板電容結構中以多晶硅作為它的下極，在平板電容、柵極和電阻的形成工藝方法，它主要包括以下步驟，第一步，多晶硅化學氣相沉積成長，并全面磷注入;第二步，層間介質化學氣相沉積生長，并以光刻膠為掩膜刻蝕去除電容的下極及高阻以外的層間介質;第三步，金屬層濺射;第四步，阻擋氧化層化學氣相沉積成長;第五步，通過光刻膠掩膜刻蝕所述阻擋氧化層和所述金屬層，形成電容上極和柵極和電阻的金屬層，然后再用所述光刻膠和層間介質共同作掩膜刻蝕多晶硅，形成電容的下極和柵極、低阻層電阻、高阻層電阻的多晶硅。

保護IGBT的續(xù)流二極管的開關特性也受柵極電阻的影響，并限制柵極阻抗的最小值。這意味著IGBT的導通開關速度只能提高到一個與所用續(xù)流二極管反向恢復特性相兼容的水平。柵極電阻的減小不僅增大了IGBT的過電壓應力，而且由于IGBT模塊中diC/dt的增大，也增大了續(xù)流二極管的過壓極限。通過使用特殊設計和優(yōu)化的帶軟恢復功能的CAL(可控軸向壽命)二極管，使得反向峰值電流小，從而使橋路中IGBT的導通電流小。

一、柵極電阻Rg的作用

1、消除柵極振蕩

絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射(或柵源)極之間是容性結構，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅動器驅動脈沖的激勵下要產(chǎn)生很強的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。

2、轉移驅動器的功率損耗

電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅動功率就將絕大部分消耗在驅動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。

3、調節(jié)功率開關器件的通斷速度

柵極電阻小，開關器件通斷快，開關損耗小;反之則慢，同時開關損耗大。但驅動速度過快將使開關器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。

二、柵極電阻的選取

1、柵極電阻阻值的確定

各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會有很大的差異。初試可如下選取:

不同品牌的IGBT模塊可能有各自的特定要求，可在其參數(shù)手冊的推薦值附近調試。

2、柵極電阻功率的確定

柵極電阻的功率由IGBT柵極驅動的功率決定，一般來說柵極電阻的總功率應至少是柵極驅動功率的2倍。

IGBT柵極驅動功率 P=FUQ，其中:

F 為工作頻率;

U 為驅動輸出電壓的峰峰值;

Q 為柵極電荷，可參考IGBT模塊參數(shù)手冊。

例如，常見IGBT驅動器(如TX-KA101)輸出正電壓15V，負電壓-9V，則U=24V，

假設 F=10KHz，Q=2.8uC

可計算出 P=0.67w ，柵極電阻應選取2W電阻，或2個1W電阻并聯(lián)。

三、設置柵極電阻的其他注意事項

1、盡量減小柵極回路的電感阻抗，具體的措施有:

a)驅動器靠近IGBT減小引線長度;

b) 驅動的柵射極引線絞合，并且不要用過粗的線;

c) 線路板上的 2 根驅動線的距離盡量靠近;

d) 柵極電阻使用無感電阻;

e) 如果是有感電阻，可以用幾個并聯(lián)以減小電感。

2、IGBT 開通和關斷選取不同的柵極電阻

通常為達到更好的驅動效果，IGBT開通和關斷可以采取不同的驅動速度，分別選取 Rgon和Rgoff(也稱 Rg+ 和 Rg- )往往是很必要的。

IGBT驅動器有些是開通和關斷分別輸出控制，只要分別接上Rgon和Rgoff就可以了。

有些驅動器只有一個輸出端，這就要在原來的Rg 上再并聯(lián)一個電阻和二極管的串聯(lián)網(wǎng)絡，用以調節(jié)2個方向的驅動速度。

3、在IGBT的柵射極間接上Rge=10-100K 電阻，防止在未接驅動引線的情況下，偶然加主電高壓，通過米勒電容燒毀IGBT。所以用戶最好再在IGBT的柵射極或MOSFET柵源間加裝Rge。