反向?qū)щ奍GBT的控制方法

當(dāng)IGBT和二極管的功能結(jié)合在單個(gè)硅片上時(shí)，就產(chǎn)生了反向?qū)щ奍GBT(RC-IGBT)。這使得標(biāo)準(zhǔn)的IGBT/二極管模塊可以在單個(gè)硅芯片上構(gòu)建，從而增強(qiáng)了電流承載能力，而無(wú)需增加模塊的占地面積。此外，根據(jù)器件技術(shù)的不同，二極管的電氣性能可以受到IGBT柵極控制狀態(tài)的影響。然而，為了管理復(fù)合RC-IGBT中的損耗，需要考慮特殊的控制方法。

器件介紹

反向?qū)щ奍GBT可以通過(guò)部分中斷p型摻雜的集電區(qū)來(lái)構(gòu)建n型摻雜區(qū)域。這創(chuàng)造了二極管的功能，同時(shí)仍然保留了足夠的區(qū)域，使IGBT能夠?qū)⑸贁?shù)載流子注入漂移區(qū)，以實(shí)現(xiàn)低前向電壓(VCE(sat))。

通過(guò)這種方法，二極管的功能依賴于柵極控制的狀態(tài)。這類器件設(shè)計(jì)用于硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用，稱為帶二極管控制的反向?qū)щ?span style="color:rgb(216,79,169);">IGBT(RCDC-IGBT)。

損耗最優(yōu)的RCDC-IGBT性能

RCDC-IGBT的柵極狀態(tài)對(duì)二極管的前向特性有顯著影響。從靜態(tài)損耗的角度來(lái)看，在二極管導(dǎo)通模式下，柵極需要關(guān)閉。當(dāng)VGE=-15 V時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最低的VF，當(dāng)VGE=0 V時(shí)略高。由于VF與芯片內(nèi)的載流子密度對(duì)應(yīng)，因此為了最低的動(dòng)態(tài)損耗及最低的Qrr，應(yīng)選擇較高的VF值。

如何在二極管導(dǎo)通模式下驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O將取決于應(yīng)用的脈沖頻率以及在二極管關(guān)閉之前對(duì)其進(jìn)行去飽和的能力。

特殊柵極驅(qū)動(dòng)方面

低損失RCDC-IGBT操作的柵極驅(qū)動(dòng)器需要能夠：

· 檢測(cè)二極管導(dǎo)通模式并防止RCDC-IGBT柵極的開(kāi)啟

· 在二極管關(guān)閉之前，通過(guò)將VGE驅(qū)動(dòng)至15 V來(lái)去飽和RCDC-IGBT二極管

· 在典型的6.5 kV逆變器脈沖頻率和有限的二極管去飽和時(shí)間下，將VGE驅(qū)動(dòng)至0 V

· 檢測(cè)二極管模式下的負(fù)載電流零交叉，并為同一開(kāi)關(guān)的IGBT順利切換電流開(kāi)啟RCDC-IGBT柵極

· 檢測(cè)IGBT模式下的負(fù)載電流零交叉，并關(guān)閉RCDC-IGBT柵極以實(shí)現(xiàn)低損耗二極管操作

檢測(cè)二極管導(dǎo)通模式

在經(jīng)典的逆變器中，前向?qū)щ姷腎GBT在互鎖時(shí)間開(kāi)始時(shí)被關(guān)閉。對(duì)于相應(yīng)的二極管，這意味著首先，阻斷電壓降低，然后電流開(kāi)始上升。一旦互鎖時(shí)間結(jié)束，二極管的并聯(lián)IGBT柵極被打開(kāi)。對(duì)于RCDC-IGBT，必須通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)邏輯防止導(dǎo)電二極管的并聯(lián)IGBT的開(kāi)啟。

建議在執(zhí)行來(lái)自控制端的開(kāi)啟命令之前監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)的VCE。在這種情況下，二極管開(kāi)關(guān)上的電壓在互鎖時(shí)間結(jié)束之前較低，明顯表明二極管正在導(dǎo)通。

為進(jìn)行二極管去飽和，互鎖時(shí)間為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器單獨(dú)計(jì)算。因此，高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)會(huì)同時(shí)變化。控制信號(hào)的下降沿會(huì)立即執(zhí)行，關(guān)閉低側(cè)IGBT的柵極。IGBT正常關(guān)閉，高側(cè)開(kāi)關(guān)上的電壓下降。電壓檢測(cè)器檢查高側(cè)開(kāi)關(guān)的VCE是否降到定義的閾值以下(顯示為“VCE低”)。在這種情況下，高側(cè)開(kāi)關(guān)將進(jìn)入二極管導(dǎo)通模式，柵極(VGE)在檢測(cè)器輸出“VCE低”變化后立即從-15 V切換到0 V。

高壓檢測(cè)器是一個(gè)簡(jiǎn)單的頻率補(bǔ)償電壓分壓器。在高壓應(yīng)用中，這個(gè)電路通常存在于柵極驅(qū)動(dòng)階段，用于去飽和檢測(cè)目的，并且不會(huì)增加其他元件到材料清單(BOM)中。

負(fù)載電流零交叉方法：從二極管到IGBT

在經(jīng)典的逆變器方法中，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流可以在并聯(lián)IGBT正常通過(guò)柵極開(kāi)啟的情況下改變極性。對(duì)于RCDC-IGBT，必須檢測(cè)到這種情況并立即開(kāi)啟柵極，以避免中斷負(fù)載電流。

如果PN二極管導(dǎo)通且電流降至零，二極管內(nèi)的載流子仍然充足，允許負(fù)載電流反向流動(dòng)，即使并聯(lián)IGBT柵極未開(kāi)啟。在圖5a中，負(fù)載電流(IL)在t4時(shí)改變方向，但IC(HS)仍然流過(guò)二極管。高側(cè)IGBT的柵極保持在關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)槠淇刂菩盘?hào)為低。一旦負(fù)載電流耗盡二極管中的載流子，二極管上的電壓在t5時(shí)反向。此時(shí)的負(fù)載電流di/dt相較于硬開(kāi)關(guān)事件中的di/dt較小。

柵極驅(qū)動(dòng)器必須在二極管導(dǎo)通時(shí)檢查正VCE。一旦VCE變?yōu)檎?，柵極立即開(kāi)啟。檢測(cè)電路必須能夠?qū)Φ驼齎CE電壓做出反應(yīng)，以避免輸出電壓變化過(guò)高。在圖4中，t5時(shí)這一效應(yīng)被夸大。建議使用經(jīng)典的去飽和檢測(cè)電路，配備高壓二極管鏈、電流源和比較器。

圖5展示了負(fù)載電流在二極管與IGBT之間的換向，采用RCDC IGBT的H橋配置。柵極驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到VCE的小幅上升(插圖)，并開(kāi)啟RCDC-IGBT的柵極。負(fù)載電流無(wú)需中斷或過(guò)多的電壓失真地改變極性。

負(fù)載電流零交叉方法：從IGBT到二極管

除了負(fù)載電流從二極管轉(zhuǎn)向IGBT外，電流還可以改變方向，從IGBT流向并聯(lián)二極管。由于柵極保持開(kāi)啟狀態(tài)，二極管負(fù)責(zé)引流，因此不會(huì)中斷負(fù)載電流。如果VGE保持在15 V，VF將不必要地高，導(dǎo)致靜態(tài)損耗增加，直到接收到下一個(gè)控制命令。建議再次使用建議的去飽和電路，檢測(cè)RCDC-IGBT上的小VCE電壓。由于VF最初較高，因此IGBT到二極管導(dǎo)通的VCE電壓差也會(huì)增大，并且可以容易檢測(cè)。

驅(qū)動(dòng)方案

圖2展示了完整的RCDC-IGBT柵極驅(qū)動(dòng)控制方案。狀態(tài)機(jī)能夠處理所有基本的RCDC-IGBT柵極驅(qū)動(dòng)需求，包括二極管導(dǎo)通模式檢測(cè)、二極管去飽和、負(fù)載電流從二極管到IGBT的零交叉及其反向過(guò)程。

圖6展示了所使用的柵極驅(qū)動(dòng)器。如果需要IGBT開(kāi)關(guān)，則使用柵極電阻RGI(on)和RGI(off)。如果需要最小時(shí)間常數(shù)開(kāi)關(guān)以去飽和二極管，則使用相對(duì)較小的RGD。先進(jìn)的H橋概念允許在二極管導(dǎo)通時(shí)將VGE驅(qū)動(dòng)至0 V。

在高壓IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器中，通常使用高壓分壓器進(jìn)行去飽和檢測(cè)。RCDC-IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)器具有一個(gè)由高壓二極管鏈、比較器和電流源組成的去飽和電路。從邏輯上講，三個(gè)二進(jìn)制輸入信號(hào)“ctrl”、“VCE”和“HV desat”由狀態(tài)機(jī)處理。