栅极电阻

一种平板电容结构及平板电容、栅极和电阻的形成工艺方法，它可以简化工艺，降低成本。在所述的平板电容结构中以多晶硅作为它的下极，在平板电容、栅极和电阻的形成工艺方法，它主要包括以下步骤，第一步，多晶硅化学气相沉积成长，并全面磷注入;第二步，层间介质化学气相沉积生长，并以光刻胶为掩膜刻蚀去除电容的下极及高阻以外的层间介质;第三步，金属层溅射;第四步，阻挡氧化层化学气相沉积成长;第五步，通过光刻胶掩膜刻蚀所述阻挡氧化层和所述金属层，形成电容上极和栅极和电阻的金属层，然后再用所述光刻胶和层间介质共同作掩膜刻蚀多晶硅，形成电容的下极和栅极、低阻层电阻、高阻层电阻的多晶硅。

为了能够经受住应用中出现的大负载，栅极电阻必须满足一定的性能要求并具有一定的特性。由于栅级电阻上的大负载，建议使用电阻并联的形式。这将产生一个冗余，如果一个栅极电阻损坏，系统可临时运行，但开关损耗较大。选择错误的栅极电阻，可能会导致问题和不希望的结果。所选的栅极电阻值太大，将导致损耗过大，应减小栅极电阻值。应铭记整个应用中的开关性能。过高的栅极电阻值可能会导致IGBT在开关期间在长时间运行在线性模式下，最终导致栅极振荡。然而，万一电阻的功耗和峰值功率能力不够，或者使用了非防浪涌电阻，都会导致栅极电阻过热或烧毁。运行期间，栅极电阻不得不承受连续的脉冲流。因此，栅极电阻必须具有一定的峰值功率能力。使用非常小的栅极电阻，会带来更高的dv/dt或di/dt，但也可能会导致EMI噪声。

应用(直流环节)中的电感过大或者使用的关断栅级电阻小，将导致更大的di/dt，从而产生过大的IGBT电压尖峰。因此应尽量减小电感或者增大关断栅级电阻值。为减小短路时的电压尖峰，可使用软关断电路，它可以更缓慢地关断IGBT。栅极电阻电路和IGBT模块之间的距离应尽可能短。如果栅极电阻和IGBT模块之间的连线过长，将会在栅极-发射极的通道上产生较大的电感。结合IGBT的输入电容，该线路电感将形成一个振荡LC电路。可简单地通过缩短连线或者用比最小值(RG(min)≥2√(Lwire/Cies))大的栅极电阻来衰减这种振荡。

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保护IGBT的续流二极管的开关特性也受栅极电阻的影响，并限制栅极阻抗的最小值。这意味着IGBT的导通开关速度只能提高到一个与所用续流二极管反向恢复特性相兼容的水平。栅极电阻的减小不仅增大了IGBT的过电压应力，而且由于IGBT模块中diC/dt的增大，也增大了续流二极管的过压极限。通过使用特殊设计和优化的带软恢复功能的CAL(可控轴向寿命)二极管，使得反向峰值电流小，从而使桥路中IGBT的导通电流小。

对于低开关损耗，无IGBT模块振荡，低二极管反向恢复峰值电流和最大dv/dt限制，栅极电阻必须体现出最佳的开关特性。通常在应用中，额定电流大的IGBT模块将采用较小的栅极电阻驱动;同样的，额定电流小的IGBT模块，将需要较大的栅极电阻。也就是说，IGBT数据手册中所给的电阻值必须为每个设计而优化。IGBT数据手册中指定了栅极电阻值。然而，最优的栅极电阻值一般介于IGBT数据表中所列的值和其两倍之间。IGBT数据表中所指定的值是最小值;在指定条件下，两倍于额定电流可被安全地关断。在实际中，由于测试电路和各个应用参数的差异，IGBT数据表中的栅极电阻值往往不一定是最佳值。上面提到的大概的电阻值(即两倍的数据表值)，可被作为优化的起点，以相应地减少栅级电阻值。确定最终最优值的唯一途径是测试和衡量最终系统。使应用中的寄生电感最小很重要。这对于保持IGBT的关断过电压在数据表的指定范围内是必要的，特别是在短路情况下。栅极电阻决定栅极峰值电流IGM。增大栅极峰值电流将减少导通和关断时间以及开关损耗。栅级峰值电流的最大值和栅级电阻的最小值分别由驱动器输出级的性能决定。

一、栅极电阻Rg的作用

1、消除栅极振荡

绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅射(或栅源)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。

二、栅极电阻的选取

1、栅极电阻阻值的确定

各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。初试可如下选取:

不同品牌的IGBT模块可能有各自的特定要求，可在其参数手册的推荐值附近调试。

2、栅极电阻功率的确定

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=FUQ，其中:

F 为工作频率;

U 为驱动输出电压的峰峰值;

Q 为栅极电荷，可参考IGBT模块参数手册。

例如，常见IGBT驱动器(如TX-KA101)输出正电压15V，负电压-9V，则U=24V，

假设 F=10KHz，Q=2.8uC

可计算出 P=0.67w ，栅极电阻应选取2W电阻，或2个1W电阻并联。

三、设置栅极电阻的其他注意事项

1、尽量减小栅极回路的电感阻抗，具体的措施有:

a)驱动器靠近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;

d) 栅极电阻使用无感电阻;

e) 如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。

2、IGBT 开通和关断选取不同的栅极电阻

通常为达到更好的驱动效果，IGBT开通和关断可以采取不同的驱动速度，分别选取 Rgon和Rgoff(也称 Rg+ 和 Rg- )往往是很必要的。

IGBT驱动器有些是开通和关断分别输出控制，只要分别接上Rgon和Rgoff就可以了。

有些驱动器只有一个输出端，这就要在原来的Rg 上再并联一个电阻和二极管的串联网络，用以调节2个方向的驱动速度。

3、在IGBT的栅射极间接上Rge=10-100K 电阻，防止在未接驱动引线的情况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁IGBT。所以用户最好再在IGBT的栅射极或MOSFET栅源间加装Rge。