ZHCSZF9 December 2025 UCC21751-Q1
PRODUCTION DATA
8.2.2.5 导通和关断栅极电阻器
UCC21751-Q1 具有分离输出 OUTH 和 OUTL，能够独立控制导通或关断开关速度。导通和关断电阻决定了峰值拉电流和灌电流，从而反过来控制开关速度。同时，必须考虑栅极驱动器中的功率耗散，以确保器件处于热限制状态。首先，峰值拉电流和灌电流的计算公式如下：
其中
- ROH_EFF 是混合上拉结构的有效内部上拉电阻，如 图 7-1 所示，约为 2 × R OL，也就是 0.7Ω 左右。这就是上拉结构开关瞬态期间的主导电阻。
- ROL 是内部下拉电阻，约为 0.3Ω。
- RON 是外部导通栅极电阻。
- ROFF 是外部关断栅极电阻。
- RG_Int 是 SiC MOSFET 或 IGBT 模块的内部电阻。
图 8-5 用于计算峰值栅极电流的输出模型例如，对于具有以下参数的基于 IGBT 模块的系统：
- Qg = 3300nC
- RG_Int = 1.7Ω
- RON = ROFF = 1Ω
这种情况下的峰值拉电流和灌电流为：
因此，使用 1Ω 外部栅极电阻后，峰值拉电流为 5.9A，峰值灌电流为 6.7A。导通开关瞬态期间的集电极至发射极 dV/dt 由米勒台阶电压下的栅极电流决定。混合上拉结构可确保在米勒台阶电压下提供峰值拉电流，除非导通栅极电阻过高。集电极到发射极的电压 Vce 上升至 VDC 的速度越快，导通开关损耗就越小。dV/dt 可以估算为 Qgc/Isource_pk。对于关断开关瞬态，除非关断栅极电阻过高，否则漏源 dV/dt 由负载电流决定。Vce 达到直流母线电压后，功率半导体处于饱和模式，通道电流由 Vge 控制。峰值灌电流决定了 dI/dt，而后者则相应地决定了 Vce 电压过冲。如果使用相对较大的关断栅极电阻，则可以限制 Vce 过冲。该过冲可以通过以下公式进行估算：
其中
- Lstray 是功率开关环路中的杂散电感，如 图 8-6 所示
- Iload 是负载电流，也是功率半导体的关断电流
- Cies 是功率半导体的输入电容
- Vplat 是功率半导体的台阶电压
- Vth 是功率半导体的阈值电压
图 8-6 半桥配置中 IGBT 的杂散寄生电感必须考虑功率耗散，以使栅极驱动器保持在热限制范围内。栅极驱动器的功率损耗包括静态损耗和开关损耗，且计算公式如下：
PQ 是驱动器的静态功率损耗，即 Iq x (VDD-VEE) = 5mA × 20V = 0.100W。静态功率损耗是当驱动器在 VDD 和 VEE 偏置电压下开关动作时，输入级、参考电压、逻辑电路、保护电路等内部电路消耗的功率，以及驱动器开关工作时内部电路的充放电电流所消耗的功率。驱动器开关工作时的功率耗散可使用以下公式计算：
其中
- Qg 是在工作点将栅极电压从 VEE 完全充电至 VDD 所需的栅极电荷
- fsw 是开关频率
在本示例中，可以使用以下公式计算 PSW：
因此，总功率损耗为：
当电路板温度为 125°C 时，结温可通过以下公式进行估算：
因此，对于本示例中的应用，在电路板温度为 125°C 时，为使栅极驱动器保持在热限制内，最大开关频率应控制到 50kHz 左右。如果使用较低的开关频率或增加外部栅极电阻，则栅极驱动器可在更高的开关频率下运行。