功率半導(dǎo)體的柵極電阻選型，一般有兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。一方面，選擇電阻值較小的柵極電阻，可以使得功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)速度更快。這將降低開(kāi)關(guān)損耗，從而降低總體損耗。另一方面，選擇較大的柵極電阻可以降低開(kāi)關(guān)速度，比如dvCE/dt或diC/dt。這可使柵極電路中發(fā)生的由寄生雜散電感或耦合電容引起的振蕩減少。因此，必須通過(guò)折中的辦法實(shí)現(xiàn)門(mén)極電阻的最優(yōu)化配置。然而，只需管理特定的工況點(diǎn)（如臨時(shí)過(guò)載或輕載條件）就已足夠。這些條件的開(kāi)關(guān)速度比應(yīng)用系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)更慢。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)在低負(fù)荷條件下運(yùn)行是典型的輕載條件。由于來(lái)自二極管的換向電流很小所以流入IGBT的正向電流也很小，在對(duì)應(yīng)的IGBT開(kāi)通速度太快時(shí)，可能造成嚴(yán)重振蕩。如果正向電流能達(dá)到標(biāo)稱(chēng)電流[1]的25%或以上，則這些振蕩可以被大幅度地減弱甚至消除。
正常的柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)通電流和關(guān)斷電流大小取決于柵極電阻的柵極電流。電流iOUT+給功率晶體管的柵極充電，而電流iOUT-給功率晶體管的柵極放電。
圖1. 使用單一芯片的常規(guī)柵極驅(qū)動(dòng)器
圖2顯示了推薦的開(kāi)通電流能力得以改進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)概念。將型號(hào)為1EDI60I12AF的兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)。兩個(gè)IN+并接被用于常規(guī)PWM輸入信號(hào)。柵極驅(qū)動(dòng)芯片IC2的端子IN-被用于是否選擇芯片IC2一起參與輸出。該信號(hào)可由應(yīng)用控制簡(jiǎn)單生成，也能用與開(kāi)關(guān)性能有關(guān)的傳感信號(hào)來(lái)控制，比如自溫度或集電極電流。啟用IC2芯片可以給柵極電流ig注入另一個(gè)分量iOUT+2從而一起參與開(kāi)通過(guò)程。
圖2. 提議的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
如圖2所示，只有驅(qū)動(dòng)芯片IC1可以用于關(guān)斷。不然可能出現(xiàn)IC1在輸出電流而IC2在吸收電流的情況，這會(huì)導(dǎo)致芯片中或相關(guān)柵極電阻中出現(xiàn)過(guò)度的功率損耗。
柵極電流ig(t)的時(shí)間控制如圖3所示。如圖3中上圖所示，在低負(fù)荷條件下，用于導(dǎo)通和關(guān)斷的柵極電流只能由芯片IC1提供。導(dǎo)通性能可以根據(jù)個(gè)別應(yīng)用需求或設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（比如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的最大dvCE/dt）進(jìn)行調(diào)整[3]。參見(jiàn)圖2可知，可以通過(guò)對(duì)IC2的IN-端施加低電平信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷運(yùn)行和低負(fù)荷運(yùn)行之間的切換。它可激活I(lǐng)C2的電流輸出端，從而實(shí)現(xiàn)更快速的開(kāi)通。選擇IC2的OUT+端的附加導(dǎo)通柵極電阻值時(shí)，必須能使功率晶體管的導(dǎo)通性能再次滿足應(yīng)用需求。
圖3. IC1和IC2的柵極電流時(shí)間控制
測(cè)量結(jié)果評(píng)估
圖4所示為開(kāi)通電流能力得以改進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)概念下，不同柵極電阻和集電極電流IC的導(dǎo)通能耗Eon和dvCE/dt的雙脈沖試驗(yàn)的結(jié)果。柵極電阻從10?到47?不等（常規(guī)解決方案對(duì)應(yīng)的是實(shí)線），集電極電流位于標(biāo)稱(chēng)電流的10%到100%之間。通過(guò)軟件計(jì)算90%/10%之間的dvCE/dt值。測(cè)試功率晶體管為40A/1200V IGBT（IKW40N120T2）。
圖4. 提議的速率控制技術(shù)對(duì)開(kāi)通的dvCEon/dt（上圖）和開(kāi)關(guān)能耗Eon（下圖）的影響
電壓變化率dvCE/dt隨集電極電流上升而上升。兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器各自的柵極電阻為Rg1=18?和Rg2=47?。應(yīng)用推薦的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以在較小的集電極電流區(qū)間內(nèi)使用柵極電阻Rg1。根據(jù)推測(cè)，圖4中與Rg=20?對(duì)應(yīng)的綠線將取得與Rg=18?類(lèi)似的結(jié)果，但dvCE/dt會(huì)小一些。在標(biāo)稱(chēng)電流50%（IC=20A）以上，會(huì)切換到同時(shí)使用兩顆柵極驅(qū)動(dòng)芯片并行運(yùn)行的情況（此時(shí)Rg為Rg1與Rg2并聯(lián)的阻值13?）。
開(kāi)通損耗如圖4中的下圖所示。使用本文推薦的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)，標(biāo)稱(chēng)電流（IC=40A）下的開(kāi)通損耗可從4.8mJ下降到3.6mJ。這相當(dāng)于開(kāi)通損耗Eon降低了25%左右。
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