IGBT栅极驱动的要求及优化策略

1.驱动电路的基本性能

IGBT器件的发射极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和发射极之间构成了一个栅极电容C_Gs，因而在高频率的交替导通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率IGBT的C_Gs一般在10～100pF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容C_Gs较大，在1～100nF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。

IGBT栅极电压可由不同的驱动电路产生，栅极驱动电路设计的优劣直接关系到由IGBT构成的系统长期运行可靠性。正向栅极电压的值应该足够令IGBT产生完全饱和，并使通态损耗减至最小，同时也应限制短路电流和它所带来的功率应力。

IGBT正栅压V_GE越大，导通电阻越低，损耗越小。但是，如果V_GE过大，一旦IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。相反如果V_GE过小，可能会使IGBT的工作点落入线性放大区，最终导致器件的过热损坏。在任何情况下，开通时的栅极驱动电压，应该在12～20V之间。

当栅极电压为零时，IGBT处于断态。由于IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt，伴随关断浪涌电流，干扰栅极关断电压，可能造成器件的误开通。为了保证IGBT在集电极-发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断，必须在栅极上施加一个反向关断偏压，采用反向偏压还可减少关断损耗。反向偏压应该在-5～-15V之间。理想的IGBT驱动电路应具有以下基本性能：

1）要求驱动电路为IGBT提供一定幅值的正反向栅极电压V_GE。理论上V_GE≥V_GE（th），IGBT即可导通；当V_GE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。正向V_GE越高，IGBT器件的V_GES越低，越有利于降低器件的通态损耗。但也会使IGBT承受短路电流的时间变短，并使续流二极管反向恢复过电压增大。因此正偏压要适当，一般不允许V_GE超过+20V。关断IGBT时，必须为IGBT器件提供-5～-15V的反向V_GE，以便尽快抽取IGBT器件内部的存储电荷，缩短关断时间，提高IGBT的耐压和抗干扰能力。采用反偏压可减少关断损耗，提高IGBT工作的可靠性。

2）要求驱动电路具有隔离的输入、输出信号功能，同时要求在驱动电路内部信号传输无延时或延时很小。

3）要求在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻R_G，用以控制V_GE的前后沿陡度，进而控制IGBT器件的开关损耗。R_G增大，V_GE前后沿变缓，IGBT开关过程延长，开关损耗增加；R_G减小，V_GE前后沿变陡，IGBT器件开关损耗降低，同时集电极电流变化率增大。较小的栅极电阻使得IGBT的导通di/dt变大，会导致较高的dv/dt，增加了续流二极管恢复时的浪涌电压。因此，在设计栅极电阻时要兼顾到这两个方面的问题。因此，R_G的选择应根据IGBT的电流容量、额定电压及开关频率，一般取几欧姆到几十欧姆。

4）驱动电路应具有过压保护和dv/dt保护能力。当发生短路或过电流故障时，理想的驱动电路还应该具备完善的短路保护功能。

2.栅极驱动功率

IGBT要消耗来自栅极电源的功率，其功率受栅极驱动负、正偏置电压的差值ΔV_GE、栅极总电荷Q_C和工作频率F_S的影响。驱动电路电源的最大峰值电流I_GPK为

I_GPK=±（ΔV_GE/R_G） （4-1）

驱动电路电源的平均功率P_AV为

P_AV=ΔV_GE×Q_C×F_S （4-2）

驱动电路电源应稳定，能提供足够高的正负栅压，电源应有足够的功率，以满足栅极对驱动功率的要求。在大电流应用场合，每个栅极驱动电路最好都采用独立的分立的隔离电源。驱动电路的电源和控制电路的电源应独立设置，以减小相互间的干扰，推荐使用带多路输出的开关电源作为驱动电路电源。

3.栅极电阻

分析IGBT的开关特性可以看出，R_G直接影响IGBT的工作情况。为提高开关频率，R_G取值应该尽量小。但如果R_G取值过小，会导致栅-射极之间的充放电时间常数小，开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT。若R_G取值过大，虽然在抑制dv/dt方面很有效果，但增加了IGBT的开关时间和开关损耗，严重影响IGBT的性能和工作状态。R_G的具体的值应该根据应用的实际情况选取最佳值。栅极电阻R_G的作用如下：

1）消除栅极振荡。IGBT的栅-射极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。

2）转移驱动器的功率损耗。电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多。

3）调节功率开关器件的通断速度。栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。

选择适当的栅极串联电阻对IGBT栅极驱动相当重要，IGBT的导通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。数值较小的电阻使栅极电容的充放电较快，从而减小开关时间和开关损耗。所以，较小的栅极电阻增强了器件工作的耐固性（可避免dv/dt带来的误导通），避免带来因dv/dt的误导通。但与此同时，它只能承受较小的栅极噪声，并可能导致栅极、发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。使导通时di/dt变大，增加续流二极管恢复时的浪涌电压。

增大栅极电阻能够减少IGBT导通时续流二极管的反向恢复过电压，减少通态下出现短路的冲击电流值；与此同时，增大栅极电阻的结果将使导通关断损耗增加，延长导通和关断时间。因此最好的办法是配置两个串联电阻器，即R_G（on）和R_G（off），在实际设计时应考虑具体的应用要求。如在采用高压二极管的情况下，恢复时间趋长，R_G（on）应比产品目录的推荐值大2～4倍。

栅极电阻R_G串接在栅极电路中，如图4-1所示。目的是改善控制脉冲前沿、后沿的陡度和防止振荡，减小IGBT集电极电压的尖脉冲值。又因IGBT的导通或关断是通过栅极电路的充放电来实现的，所以R_G的值对动态特性产生极大的影响。栅极电阻的经验选择可参考表4-1。

图4-1 典型的IGBT栅极驱动电路

表4-1 栅极电阻经验选择取值

栅极电阻的功率由IGBT栅极驱动的功率决定，一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的2倍。

IGBT栅极驱动功率：

P=F×V×Q （4-3）

式中，F为工作频率；V为驱动输出电压的峰峰值；Q为栅极电荷。

栅极驱动的布线对防止潜在振荡，减慢栅极电压上升，减小噪声损耗，降低栅极电压或减小栅极保护电路的效率有较大的影响。在布线时要注意事项如下：

1）将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低。

2）驱动板和功率电路要正确放置，以防功率电路和控制电路之间的电感耦合。

3）采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。(www.xing528.com)

4）当驱动PCB和IGBT控制端子不可能作直接连接时，应采用双股绞线（2转/cm小于3cm长）、带状线或同轴线作为传输线。

5）栅极钳位保护电路，必须按低电感布线，并尽量放置于IGBT模块的栅极，发射极控制端子附近。

6）因IGBT的开关会产生较高的瞬态电压，所以PCB布线时线条之间彼此不宜太近，过高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。若布线无法避免交叉或平衡时，必须采用屏蔽层，加以保护。

7）要减少各器件之间的寄生电容，避免产生耦合噪声。

8）用光电耦合器来作隔离栅极驱动信号，其最小共模抑制比要在10.000V/μs。

在栅极回路上，除了采取上述措施外，为防止栅极电路出现高压尖峰，一般在IGBT的G、E极间并一个电阻R_GE，再并联两只反串的稳压二极管，以使工作更可靠、安全、有效。

栅极驱动电压的上升、下降速率对IGBT导通关断过程有着较大的影响。IGBT的MOS沟道受栅极电压的直接控制，而MOSFET部分的漏极电流控制着双极部分的栅极电流，使得IGBT的导通特性主要决定于它的MOSFET部分，所以IGBT的导通受栅极驱动波形的影响较大。IGBT的关断特性主要取决于内部少子的复合速率，少子的复合受MOSFET的关断影响，所以栅极驱动对IGBT的关断也有影响。

在高频应用时，驱动电压的上升、下降速率应快一些，以提高IGBT开关速率而降低损耗。在正常状态下IGBT导通越快，损耗越小。但在导通过程中如有续流二极管的反向恢复电流和吸收电容的放电电流，则导通加快，因IGBT承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损坏。此时应降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。其代价是较大的导通损耗。利用IGBT栅极串联电阻技术，导通过程的电流峰值可以控制在任意值。

由以上分析可知，栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT的导通过程影响较大，而对关断过程影响小一些，串联电阻小有利于加快关断速率，减小关断损耗，但过小会造成di/dt过大，产生较大的集电极电压尖峰。因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。

栅极电阻对驱动脉冲的波形也有影响，电阻值过小时会造成脉冲振荡，过大时脉冲波形的前后沿会发生延迟和变缓。IGBT的栅极输入电容C_GE随着其额定电流容量的增加而增大。为了保持相同的驱动脉冲前后沿速率，对于电流容量大的IGBT器件，应提供较大的前后沿充电电流。为此，栅极串联电阻的电阻值应随着IGBT电流容量的增加而减小。

4.IGBT的驱动条件

严格地说，能否充分利用器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。前面讲过，理论上V_GE≥V_GE（th），IGBT即可导通；一般情况下V_GE（th）=5～6V，当V_GE增加时，通态压降减小，通态损耗减小；但IGBT承受短路电流能力减小；当V_GE太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。当V_GE减小时，通态压降增加，通态损耗增加。

为使通态压降最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力，通常选取V_GE≥D×V_GE（th），当V_GE（th）为6V，系数D分别为1.5、2、2.5、3时，V_GE则分别为9V、12V、15V、18V；通常栅极驱动电压V_GE取12～15V为宜，12V最佳。IGBT关断时，栅极加负偏压，提高抗干扰能力，提高承受dv/dt能力，栅极负偏压一般为-10V。

在IGBT栅极驱动电路设计时，应特别注意导通特性、负载短路能力和dv_GE/dt引起的误触发等问题。正偏置电压V_GE增加，通态电压下降，导通能耗E_ON也下降，分别如图4-2a和图4-2b所示。若使V_GE固定不变时，导通电压将随集电极的电流增大而增高，导通损耗将随结温升高而升高。

IGBT栅极负偏电压-V_GE直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时集电极的浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，-V_GE与集电极浪涌电流和关断能耗E_OFF的关系分别如图4-3a和图4-3b所示。栅极电阻R_G增加，将使IGBT的导通与关断时间增加；因而使导通与关断能耗均增加。而栅极电阻减少，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时R_G上的损耗也有所增加。

由上述不难得知：IGBT的特性随栅极驱动条件的变化而变化，就像双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。然而，对于IGBT来说，栅极驱动条件仅对其关断特性略有影响。

图4-2 正偏置电压V_GE（ON）与V_CE和E_ON的关系

a）V_GE（ON）与V_CE的关系 b）V_GE（ON）与E_ON的关系

图4-3 -V_GE与集电极浪涌电流和关断能耗E_OFF的关系

a）-V_GE与集电极浪涌电流关系 b）-V_GE与关断能耗E_OFF的关系

栅极驱动电路的阻抗，除了引起电流下降时间延迟外，栅极电阻还影响开关损耗。栅极电阻减小时，总损耗将减小。导通损耗主要由MOSFET的特性决定，关断损耗主要由少子决定，导通损耗比关断损耗受栅极电阻的影响更大。为了减小dv/dt的影响，栅极通常应加入一个负偏压。但是，这样要求增加与高压侧开关器件隔离的电源。

栅极电压的降低有助于控制IGBT承受短路电流的能力，降低栅极驱动电压，能够减小短路时的集电极电流和功耗。在IGBT栅极串入二极管、电阻网路，就能完成这种功能，并且响应时间小于1μs。在IGBT驱动电路设计应注意以下事项：

1）IGBT具有一个2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感，故驱动电路的设计必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时，IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流I_C随V_GE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤V_GE≤18V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选一5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。

2）IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。

3）选择合适的栅极串联电阻R_G和栅射电容C_G对IGBT的驱动相当重要。R_G较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；R_G较大，有利于抑制dv_ce/dt，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的C_G有利于抑制di_c/dt，C_G太大，开通时间延时，C_G太小对抑制di_c/dt效果不明显。

4）当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，而引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。

5）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压V_GE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT导通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IG-BT因不退出饱和而损坏。

6）驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。

7）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。

8）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。

9）IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并要求有较强的抗干扰能力。