如何通过门极电阻来调整IGBT开关的动态特性呢？

IGBT的开关特性是通过对门极电容进行充放电来控制的，实际应用中经常使用＋15V的正电压对IGBT进行开通，再由-5V…-8V…-15V的负电压进行关断。门极电容的充放电速度可以通过控制门极电阻来实现，所以我们可以通过门极电阻来调整IGBT开关的动态特性，如图1所示。

图1 IGBT门极控制示意图

门极电阻可以影响IGBT的开关时间、开关损耗、反偏安全工作区（RBSOA）、短路安全工作区（SCSOA）、EMI、dv/dt、di/dt和续流二极管的反向恢复电流等。所以需要根据不同的应用条件谨慎地选择最优门极电阻，比如不同的IGBT芯片特性、二极管特性、开关频率、损耗要求、系统杂散电感、直流母线电压和驱动能力等，一个完整的IGBT门极电阻选型需要综合考虑以上各种因素。

IGBT开关特性与门极电阻的关系

外部门极电阻RG会影响IGBT的开关特性。IGBT的开关过程就是对门极输入电容的充放电过程，输入电容在开关过程中是变化的，而门极电阻可以通过限制门极脉冲电流（IG）的幅值来控制IGBT开通和关断的时间，如图2所示。

图2 IGBT开通和关断时的门极电流示意图

图3 IGBT开关损耗和开关时间与门极电阻RG的关系

减小门极电阻时需要考虑大电流快速开关带来的di/dt问题。过大的di/dt会通过回路杂散电感产生很高的电压尖峰，这个尖峰电压可由公式（1）得出：

这种电压尖峰可以在IGBT的关断波形中观察到，如图4所示，阴影部分的面积代表对应的开关损耗。过大的瞬时电压尖峰叠加在IGBT的集电极和发射极上有可能损坏IGBT，尤其是在短路工况时，大电流关断IGBT会引起很大的di/dt。通常增大门极电阻可以减小Vstray，降低IGBT过压失效的风险。

图4 IGBT开通与关断波形

在半桥拓扑中，需要在上下桥臂开关切换之间加入互锁和死区时间，这时需要考虑门极电阻对开关时间的影响。比如较大的关断电阻RG(off)会延长IGBT的下降时间，这样实际的死区时间就有可能大于设置的最小死区时间，引起桥臂直通。

过快的开关速度带来更高的dv/dt和di/dt，会造成更恶劣的EMI环境，实际应用中可能会对控制电路等产生干扰。图5描述了di/dt与门极电阻大小的关系。

图5 IGBT开通关断过程中di/dt与门极电阻的RG的关系

表1描述了IGBT开关特性与门极电阻变化的关系。

表1 IGBT开关特性和门极电阻的关系

续流二极管开关特性与门极电阻的关系

续流二极管的开关特性同样受到门极电阻的影响，它限制了允许的最小门极开通电阻RG(on)。这意味着IGBT的开通速度不能一味加快，它必须和配套使用的续流二极管的反向恢复特性相匹配。此外过大的IRRM也会增加续流二极管反向恢复损耗。图6描述了续流二极管的反向恢复峰值电流IRRM随着换流速度diF/dt的增大而增大，而diF/dt的大小是由IGBT的开通电阻RG(on)来控制的。

图6 续流二极管反向恢复峰值电流与diF/dt和RG的关系以及续流二极管的反向恢复特性

在赛米控的IGBT模块中，常配合使用经过特殊设计和优化的CAL（Control Axial Lifetime）续流二极管，它具有较软的反向恢复特性，可以减小反向恢复电流从而降低IGBT开通损耗和二极管的反向恢复损耗。

驱动输出形式与门极电阻的配置

门极驱动电路的输出极一般使用两个MOSFET组成图腾柱的形式。两个MOSFET由同一个驱动信号控制。当驱动信号是高电平时，N沟道MOSFET开通，当驱动信号是低电平时，P沟道MOSFET开通，这两个MOSFET构成一个推挽输出。图7列举了几种常见的电阻连接方式，包含对称和非对称的门极控制。

图7 IGBT门极电阻连接形式

门极电阻的选型经验

门极电阻的选型原则是达到最优的开关特性，包括较低的开关损耗、IGBT模块没有振荡、较低的续流二极管反向恢复电流、以及对最大dv/dt和di/dt的控制。以下是门极电阻选型中的一些经验：

一般来说，额定电流大的IGBT模块可以用较小的门极电阻驱动，而额定电流小的IGBT模块一般需要用到较大的门极电阻。
最优的门极电阻值一般会在IGBT规格书中标注的值的一倍到两倍之间。这个经验适用于大部分的应用场合。IGBT规格书中给出的门极电阻一般是最小值，在标注的条件下，IGBT能在两倍的额定电流下安全关断。但实际应用参数和测试参数有所区别，所以规格书中的门极电阻值一般很难达到。最优的门极电阻值还是需要测试最终的系统来确定，可以使用两倍的规格书给定电阻值作为起始值进行测试。
多数应用情况下，开通门极电阻RG(on)会比关断门极电阻RG(off)小，根据实际的应用条件，RG(off)大概可以是RG(on)的两倍。
尽量地减小系统中尤其是直流母线的杂散电感非常重要，这有利于把IGBT的关断电压尖峰控制在规格书给定的范围内，特别是在短路关断时。一个简单有效的降低短路关断电压尖峰的方法是使用软关断电路。当驱动检测到短路发生时，会使用一个较大的关断电阻来减缓IGBT的关断速度。

最大门极电流的限制

最小门极电阻确定了最大门极峰值电流。增大门极峰值电流能减小开关时间，从而降低开关损耗。但最大的门极峰值电流又受限于驱动的输出能力。驱动的规格书中一般会定义最大门极电流输出能力，即定义了最小允许的门极电阻，应用中应考虑这个因素避免驱动过载失效。实际测试中，门极电流可能会比理论计算小一些，这是因为IGBT内置门极电阻RG(int)和门极回路杂散电感的存在。RG(int)在IGBT规格书中会标明。图8给出了门极电流波形和峰值电流的理论计算公式。