栅极驱动参数对IGBT开通的影响

如今，IGBT已被广泛应用于工业电源领域。与MOSFET相同，它也是一种压控型器件。其开关性能可通过IGBT驱动设置加以控制或影响。优化IGBT开关性能对于系统设计而言十分重要，因为不同的开关损耗会影响散热设计和IGBT使用寿命。

IGBT的栅极驱动电路看似很简单，就是一个电压源和一个栅极电阻。通过改变栅极电阻值，可以影响IGBT开关性能。但在现实系统应用中，会有许多杂散因素有意或无意地产生，比如栅极线缆电感和栅极电容（可能是PCB布线分布电容）。由于IGBT的关断特性受母排杂散电感和芯片本身影响很大，所以此文只讨论栅极驱动参数对IGBT开通的影响。

本文选用英飞凌的IGBT模块PrimePACK™ FF1000R17IE4作为一个样本，来研究这些栅极参数对IGBT开通性能的影响。测试所用的驱动核是英飞凌的EiceDriver™ 2ED300C17-ST，其具备30A的峰值输出电流功能。

就IGBT开通性能而言，有两个比较重要的表现指标：一个是开通时桥臂电流的变化率di/dt，另一个是器件从关断状态到导通状态所产生的开通损耗。前者如果太高，续流二极管（FWD）也会有一个很快的反向恢复过程，这可能会导致反向恢复电流出现振荡从而引起二极管的失效。而后者则是直接关系到IGBT的工作效率及其对散热器的设计需求，这对成本控制和器件的可靠性非常有意义。影响两者变化的因素很多，本文主要从栅极电阻，栅极电容和栅极回路电感入手分析。

图1（可左右滑动切换）：

左图：0.9欧姆Rgon、di/dt:6128A/us、Eon:196mJ；

中图：2.6欧姆Rgon、di/dt:4270A/us、Eon:437mJ；

右图：4.7欧姆Rgon、di/dt:3283A/us、Eon:650mJ。

红色曲线：IGBT桥臂电流；

蓝色曲线：IGBT集电极至发射极电压；

绿色曲线：栅极电压；

黄色曲线：栅极电流。

从图1中可以看出，随着Rgon的增大，无论是开通di/dt还是dv/dt都会相应地减小，而开通特性就会变软。这意味着反向恢复的电流变化率也在减小，二极管的应力降低。但另一方面，开通损耗却迅速增大，达到3倍之多。所以在选择栅极开通电阻的时候不能靠一味地用大的电阻值来减小电流尖峰，而是要尽量地用小电阻值只要不对二极管带来损伤就行。评判的标准可以是低温小电流（1/10额定电流）的时候二极管反向恢复的时候不能出现明显的振荡。

对于一个开关器件的使用，快速交变的电压或者电流可能会对周围的电子设备和元器件造成干扰，有时就需要限制IGBT开通时的di/dt。用增加栅极电阻值的方法可以减小di/dt，但同时会使开通的dv/dt也变慢，这样开通损耗就明显地增加了。为了降低这种di/dt和dv/dt之间的联动效应，可以添加一个栅极电容（Cge），并适当地减小栅极电阻。图2显示的是典型的IGBT开通过程。一般认为开通的di/dt（图2中从t1至t2时间段）由Rgon和Cge决定；而开通的dv/dt（从t2到t3）则主要由Rgon和Cgc决定。因为在此期间，IGBT工作在线性区，栅极电压处于米勒电压平台，栅极的驱动电流流入IGBT的Cgc。

图2. 典型的IGBT导通过程

图3是采用不同的Rgon和Cge组合实现相同开通损耗的两组测试结果。其中图a是无Cge和较高Rgon的开通波形，图b是采用200nF的Cge和更低Rgon组合的测试结果。在开通损耗相似的条件下，图b的开通di/dt是2492A/us，很显然小于图a中的3283A/us，这样符合IGBT开通优化的目标。

图3（可左右滑动切换）：

左图：4.6欧姆Rgon、无Cge、di/dt:3283A/us、Eon:650mJ

右图：1.7欧姆Rgon、200nF Cge、di/dt:2492A/us、Eon:635mJ

图4展示了采用不同的Rgon和Cge组合以实现相近的开通di/dt的两组测试波形，这意味着两者开通软度相同。从结果可以看出，采用Cge并减小Rgon的开通损耗更低，为386mJ，因为其dv/dt更高。

图4（可左右滑动切换）：

左图：2.6欧姆Rgon、无Cge、di/dt:4270A/us、Eon:437mJ  

右图：1.7欧姆Rgon、46nF Cge、di/dt: 4324A/us、Eon:386mJ

凡事有利必有弊，如果采用Cge优化IGBT开通性能，除了增加的栅极电容需要更大的驱动器峰值电流以外，这个电容还要选择精度好，温漂小的一类介质电容，这样即使在IGBT并联应用中，也可以避免因驱动不对称导致的电流不均匀。然而一类介质电容的容值往往不大，如果是几百nF的话封装就很大，比如2220封装的。

由于系统结构的问题，有时驱动板不能直接焊在或是螺丝拧在IGBT上，而是通过线缆连接到IGBT的辅助端子。连同驱动电路本身的输出杂散电感和IGBT内部的栅极绑定线杂散电感一起，构成了栅极回路电感Lg。它会显著影响IGBT的开关性能，尤其是开通性能。

图5（可左右滑动切换）：

左图：0.9欧姆Rgon、无Cge、8cm栅极线、di/dt:6128A/us、Eon:196mJ；

右图：0.9欧姆Rgon、无Cge、100cm栅极线、di/dt:6920A/us、Eon:87mJ

图5显示两种采用不同栅极线缆长度的测试结果。栅极线缆越长，IGBT开通的速度越快，开通损耗越小。以示波器1通道的栅极电流来看，它在IGBT开启时（也就是桥臂电流上升段）逐渐变小，如果栅极电感越大那么栅极电流减少的速度就越慢，从而加速了IGBT的开通。尽管这和减小栅极电阻的情况非常相似，但在实际应用中还是应当避免采用长栅极线且尽量降低栅极驱动回路的杂散电感。因为栅极回路电感大可能会导致栅极电压振荡和系统不稳定。所以最好是用一块杂散电感小的栅极适配板直接与IGBT模块相连，这样做会让IGBT开通损耗增大，但是可以考虑采用更小的栅极电阻来较小开通损耗。

本文主要论述了栅极电阻、栅极电容和栅极回路电感对IGBT开通性能的影响，主要结果归纳如表1所示。只有综合考虑这些参数，才能获得理想的IGBT开通性能。

表1：驱动参数对IGBT开关性能的影响