君芯IGBT驱动电阻Rg 选型推荐
江苏中科君芯科技有限公司
1、前言
IGBT凭借出色的高电压大电流特点,在电力电子领域中应用越来越广泛,作为绝缘栅控制的少子器件,其驱动电路的设计关乎着IGBT能否可靠运行,故驱动电阻Rg的选型的重要性对于IGBT应用来说就至关重要;但Rg的选型是一个十分复杂的工作,简单来说减小Rg 会让导通和关断时间缩短且开关损耗也会相应的减小,但引发的门极振荡和高速的di/dt与dv/dt 可能会对系统带来负面的影响。同样的增加Rg,虽然可以避免上述的一些问题,但除了会增加开关的延迟外,对系统保护与IGBT 自身的保护以及散热设计也会产生程度不一的影响。
2、选型分析
因为电路中必然存在杂散电感,所以减小Rg 时必须考虑di/dt 所产生的影响,过高的di/dt 除了会在IGBT 关断时产生过大的峰值电压以致于产存在过压击穿的风险外,在开通时也容易造成二极管反向恢复电流过大及IGBT内部的闩锁(latch-up)进而导致失效。同时过高的dv/dt 与di/dt 也会引发更高的共模与差模噪声,导致驱动电路甚至其它器件的误动作。当增大Rg时必须考虑关断延时与门极电压抬升的影响,关断时间延长而造成死区的设置不足,除了会增大上下管直通的可能性,在IGBT上下管开关断的过程中,产生的飘移电流会通过门极电阻,所以会给关断状态下的IGBT 提供了更高的误导通的风险。给予足够的负压值作关断以防止误导通是最常见的作法,但是过大的负压除了进一步增加开通的延迟外,同时也也会加快IGBT 关断的速度,增加过压击穿的风险。门极电阻也决定了短路承受电流的时间与门极电压的抬升的高度,过小的Rg 会缩短IGBT 短路电流可以承受的时间,造成保护不及。但过大的Rg 也会促使短路电流的进一步增加,同样可能会导致IGBT的闩锁或瞬间过温进而失效。另外Rg 也影响了IGBT 切换的损耗,进而会影响模块稳态操作时内部温度升高降低异常操作的余量
3、选型建议
设置栅极电阻时,会涉及到很多实际问题,故此处给出了涉及栅电阻时的注意事项:
a) 栅电阻尽量靠近IGBT减小引线长度;
b) 驱动的栅射极引线绞合,并且不要用过粗的线;
c) 线路板上的 2 根驱动线的距离尽量靠近并平行差分走线;
d) 栅极电阻尽量使用无感电阻;
e) 如果是有感电阻,可以用几个并联以减小电感。
f) 栅极电阻应尽量靠近IGBT栅极
设置栅极电阻时,对其功率建议如下:
P turn on = F × Qg × +Vge + Cies × (−Vge)
P(turn on) = P(turn off )
P(driving) = P(turn on) + P(turn off )
= F × Qg × +Vge + Cies × −Vge
选用门极电阻的功率等极必须大于计算总功耗的2 倍以上。
P(turn on):开通时损耗在Rg 的功耗;
P(turn off):关断时损耗在Rg 的功耗;
P(driving) : 损耗在Rg 的总功耗;
+Vge:正向偏置电源电压;
-Vge:反向偏置电源电压;
F:开关频率;
Qg:从0V 到+Vge 为止的充电电荷量;
Cies:IGBT 输入电容;
4、驱动电阻Rg变化影响特性关系
在特定驱动情况下,栅极电阻变化与IGBT参数特性变化如下表1所示。
表1:栅极电阻与IGBT特征参数关系表
IGBT特征参数 | 门极电阻增大 | 门极电阻减小 |
Ton | 增大 | 减小 |
Toff | 增大 | 减小 |
Td(on) | 增大 | 减小 |
Td(off) | 增大 | 减小 |
Eon | 增大 | 减小 |
Eoff | 增大 | 减小 |
Vce(spike) | 减小 | 增大 |
开通浪涌电流 | 减小 | 增大 |
关断浪涌电压 | 减小 | 增大 |
导通峰值电流 | 减小 | 增大 |
二极管关断尖峰电流 | 减小 | 增大 |
dv/dt | 减小 | 增大 |
di/dt | 减小 | 增大 |
EMI | 减小 | 增大 |
EMS | 减小 | 增大 |
5、君芯IGBT单管及模块Rg选型推荐表
表2:IGBT单管Rg选型推荐表
型号 | 初始阻值 | 电阻功率要求 | di/dt | 适用领域 |
20 ohm | >=0.25W | <=3000A/us | IH | |
10 ohm | >=0.25W | <=6000A/us | 逆变焊机 | |
20 ohm | >=0.25W | <=6000A/us | 逆变焊机 | |
20 ohm | >=0.25W | <=6000A/us | 逆变焊机 | |
15 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 逆变焊机 | |
15 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 逆变焊机 | |
15 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 变频 | |
备注: 驱动电压:±15V |
表3:IGBT模块Rg选型推荐表
型号 | 初始阻值 | 电阻功率要求 | di/dt | 适用领域 |
Ron=15 ohm Roff=5.1 ohm | >=0.25W | <=7000A/us | 逆变焊机 | |
Ron=15 ohm Roff=5.1ohm | >=0.25W | <=8000A/us | 逆变焊机 | |
86 | >=0.25W | <=6000A/us | 变频 | |
56 | >=0.25W | <=6000A/us | 变频 | |
36 | >=0.5W | <=6000A/us | 变频 | |
备注: 驱动电压:±15V |
6、总结:
栅极电阻Rg的选型是一个关乎系统稳定性的工作,通常是由工程师根据实际的性能要求调整而定,但通过君芯的选型建议,可以加快该工作的进度,确保客户能够较快应用君芯产品。
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