反向导电IGBT的控制方法

当IGBT和二极管的功能结合在单个硅片上时，就产生了反向导电IGBT(RC-IGBT)。这使得标准的IGBT/二极管模块可以在单个硅芯片上构建，从而增强了电流承载能力，而无需增加模块的占地面积。此外，根据器件技术的不同，二极管的电气性能可以受到IGBT栅极控制状态的影响。然而，为了管理复合RC-IGBT中的损耗，需要考虑特殊的控制方法。

 

器件介绍

 

反向导电IGBT可以通过部分中断p型掺杂的集电区来构建n型掺杂区域。这创造了二极管的功能，同时仍然保留了足够的区域，使IGBT能够将少数载流子注入漂移区，以实现低前向电压(VCE(sat))。

图1

 

通过这种方法，二极管的功能依赖于栅极控制的状态。这类器件设计用于硬开关应用，称为带二极管控制的反向导电IGBT(RCDC-IGBT)。

 

损耗最优的RCDC-IGBT性能

 

RCDC-IGBT的栅极状态对二极管的前向特性有显著影响。从静态损耗的角度来看，在二极管导通模式下，栅极需要关闭。当VGE=-15 V时，可以实现最低的VF，当VGE=0 V时略高。由于VF与芯片内的载流子密度对应，因此为了最低的动态损耗及最低的Qrr，应选择较高的VF值。

如何在二极管导通模式下驱动栅极将取决于应用的脉冲频率以及在二极管关闭之前对其进行去饱和的能力。

 

特殊栅极驱动方面

 

低损失RCDC-IGBT操作的栅极驱动器需要能够：

· 检测二极管导通模式并防止RCDC-IGBT栅极的开启

· 在二极管关闭之前，通过将VGE驱动至15 V来去饱和RCDC-IGBT二极管

· 在典型的6.5 kV逆变器脉冲频率和有限的二极管去饱和时间下，将VGE驱动至0 V

· 检测二极管模式下的负载电流零交叉，并为同一开关的IGBT顺利切换电流开启RCDC-IGBT栅极

· 检测IGBT模式下的负载电流零交叉，并关闭RCDC-IGBT栅极以实现低损耗二极管操作

图2

检测二极管导通模式

 

在经典的逆变器中，前向导电的IGBT在互锁时间开始时被关闭。对于相应的二极管，这意味着首先，阻断电压降低，然后电流开始上升。一旦互锁时间结束，二极管的并联IGBT栅极被打开。对于RCDC-IGBT，必须通过栅极驱动逻辑防止导电二极管的并联IGBT的开启。

 

建议在执行来自控制端的开启命令之前监测开关的VCE。在这种情况下，二极管开关上的电压在互锁时间结束之前较低，明显表明二极管正在导通。

图3

 

为进行二极管去饱和，互锁时间为每个栅极驱动器单独计算。因此，高侧和低侧栅极驱动器的输入信号会同时变化。控制信号的下降沿会立即执行，关闭低侧IGBT的栅极。IGBT正常关闭，高侧开关上的电压下降。电压检测器检查高侧开关的VCE是否降到定义的阈值以下(显示为“VCE低”)。在这种情况下，高侧开关将进入二极管导通模式，栅极(VGE)在检测器输出“VCE低”变化后立即从-15 V切换到0 V。

 

高压检测器是一个简单的频率补偿电压分压器。在高压应用中，这个电路通常存在于栅极驱动阶段，用于去饱和检测目的，并且不会增加其他元件到材料清单(BOM)中。

 

负载电流零交叉方法：从二极管到IGBT

 

在经典的逆变器方法中，当二极管导通时，负载电流可以在并联IGBT正常通过栅极开启的情况下改变极性。对于RCDC-IGBT，必须检测到这种情况并立即开启栅极，以避免中断负载电流。

 

如果PN二极管导通且电流降至零，二极管内的载流子仍然充足，允许负载电流反向流动，即使并联IGBT栅极未开启。在图5a中，负载电流(IL)在t4时改变方向，但IC(HS)仍然流过二极管。高侧IGBT的栅极保持在关闭状态，因为其控制信号为低。一旦负载电流耗尽二极管中的载流子，二极管上的电压在t5时反向。此时的负载电流di/dt相较于硬开关事件中的di/dt较小。

图4

 

栅极驱动器必须在二极管导通时检查正VCE。一旦VCE变为正值，栅极立即开启。检测电路必须能够对低正VCE电压做出反应，以避免输出电压变化过高。在图4中，t5时这一效应被夸大。建议使用经典的去饱和检测电路，配备高压二极管链、电流源和比较器。

 

图5展示了负载电流在二极管与IGBT之间的换向，采用RCDC IGBT的H桥配置。栅极驱动电路检测到VCE的小幅上升(插图)，并开启RCDC-IGBT的栅极。负载电流无需中断或过多的电压失真地改变极性。

图5

 

负载电流零交叉方法：从IGBT到二极管

 

除了负载电流从二极管转向IGBT外，电流还可以改变方向，从IGBT流向并联二极管。由于栅极保持开启状态，二极管负责引流，因此不会中断负载电流。如果VGE保持在15 V，VF将不必要地高，导致静态损耗增加，直到接收到下一个控制命令。建议再次使用建议的去饱和电路，检测RCDC-IGBT上的小VCE电压。由于VF最初较高，因此IGBT到二极管导通的VCE电压差也会增大，并且可以容易检测。

图6

 

驱动方案

 

图2展示了完整的RCDC-IGBT栅极驱动控制方案。状态机能够处理所有基本的RCDC-IGBT栅极驱动需求，包括二极管导通模式检测、二极管去饱和、负载电流从二极管到IGBT的零交叉及其反向过程。

 

图6展示了所使用的栅极驱动器。如果需要IGBT开关，则使用栅极电阻RGI(on)和RGI(off)。如果需要最小时间常数开关以去饱和二极管，则使用相对较小的RGD。先进的H桥概念允许在二极管导通时将VGE驱动至0 V。

 

在高压IGBT栅极驱动器中，通常使用高压分压器进行去饱和检测。RCDC-IGBT的栅极驱动器具有一个由高压二极管链、比较器和电流源组成的去饱和电路。从逻辑上讲，三个二进制输入信号“ctrl”、“VCE”和“HV desat”由状态机处理。