IGBT驱动电路设计及栅极电阻的作用分析

IGBT应用中的一个重要问题是驱动电路的设计。IGBT的静态和动态特性与栅极的驱动条件密切相关，图3-17给出了IGBT栅极驱动电路的基本结构。图中，栅极电压U_{G E}控制着IGBT的导通和关断，而栅极电阻R_G决定了IGBT的开关损耗和通断速度。因此，驱动电路的设计关键是对栅极电压U_G（即U_GE）和栅极电阻R_G的设计，同时选择一款适合用于高速驱动且具有高共模抑制比的光耦器件也是必不可少的。

图3-17 IGBT栅极驱动电路的基本结构

图3-18给出了栅极电压U_GE与集电极电流I_C的关系曲线，从其电气特性可以看出，当U_GE大于开启电压U_GE（th）=5～6V时，IGBT导通。不仅如此，不同的U_GE值还控制着U_CE与I_C的关系。

图3-19给出了集射电压U_CE与集电极电流I_C的关系曲线，当U_GE增加时（大于13V），U_CE减小，通态损耗减小，IGBT承受短路电流能力减小，当U_GE过大时（大于17V），IGBT承受短路电流的能力将进一步减小，可能会引起栅极电压振荡，损坏栅极；而当U_GE小于13V时，会增加饱和电压U_CE（sat），从而易导致热破坏。为获得通态压降小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流的能力，因此推荐导通时栅极电压U_GE为15（1±10%）V。

图3-18 U_GE与I_C的关系曲线

图3-19 U_CE与I_C的关系曲线

在需要IGBT关断时，为了提高IGBT的抗干扰能力，保证其可靠地关断，必须在栅极上施加反向偏压。图3-20给出了开关损耗E_SW和反向偏置栅极电压-U_GE的关系曲线，可以看出-U_GE≤-5V时，对开关损耗E_SW几乎没有影响，因此栅极反向偏置电压的下限为-5V；另一方面，为防止栅极电压和浪涌电压叠加时超过栅极的耐压值，栅极反向偏置电压的上限应不超过-10V。因此，推荐关断时栅极电压U_GE在-10～-5V范围内。

为了抑制栅极脉冲前后沿陡度和限制流入栅极的电流，应在驱动电路和IGBT的栅极间串联一个栅极电阻R_G。在选取R_G值时，应该根据IGBT的开关时间和开关损耗选取，如图3-21和图3-22所示。当栅极电阻R_G过大时，IGBT的开关时间延长，开关损耗加大；当栅极电阻R_G过小时，IGBT的开关时间缩短，开关损耗减小。然而，开关动作越快，di/dt越高，使浪涌电压越高，导致IGBT损坏。因此，栅极电阻R_G是根据开关损耗和浪涌电压均衡考虑来选定最佳值，通常IGBT选用的R_G在几欧姆到十几欧姆之间，不同使用场合，选用的最佳R_G值也不一样。(www.xing528.com)

图3-20 E_SW与-U_GE的关系曲线

图3-21 开关时间与栅极电阻的典型关系

在实际的工程应用中，很多场合下需要延迟导通或者加快关断，因此就需要有效、独立地调整导通路径和关断路径的栅极电阻，如图3-23所示。图a，导通时调整R_ES1，关断时调整R_ES2，为了加速关断，调整为R_ES1＞R_ES2。然而，大多数情况下，两个功率管不是分立的，而是集成在一个芯片中，从而只提供了一路输出，如图b所示。这种情况下，为达到要求，可以采用电阻R_ES2串联快速恢复二极管后并联电阻R_ES1的方法，来减小栅极的关断电阻，提高关断速度。当IGBT导通时，只有R_ES1有驱动信号通过，关断时，R_ES1和R_ES2并联，减小了关断限流电阻，从而加快了关断速度。

图3-22 开关损耗与栅极电阻的典型关系

图3-23 导通和关断速度可分别调整的栅极电阻的连接