當 IGBT 和二極管功能組合到一塊硅片上時，就形成了一個反向導電 IGBT (RC-IGBT)。這樣就可以在一塊硅片上構建一個標準的 IGBT/二極管模塊。這可以增強載流能力，而不會增加模塊的占用空間，并且 - 根據設備技術 - 允許二極管的電氣性能受到 IGBT 柵極控制狀態的影響。然而，為了管理組合 RC-IGBT 中的損耗，需要考慮特殊的控制方法。

　　設備介紹

　　可以通過用 n 摻雜區域部分中斷 p 摻雜集電極區域來構建反向導電 IGBT。這會產生二極管功能，但仍有足夠的區域供 IGBT 將少數載流子注入漂移區，以實現低正向電壓 (VCE(sat))。

　　采用這種方法時，二極管的功能取決于柵極控制的狀態。這種類型的器件專為硬開關應用而設計，被稱為帶二極管控制的反向傳導 IGBT (RCDC-IGBT)。

圖1

　　損耗最佳 RCDC-IGBT 性能

　　RCDC-IGBT 柵極狀態對二極管的正向特性有顯著影響。從靜態損耗角度來看，在二極管導通模式下，柵極需要關閉。當 VGE=-15 V 時可實現最低 VF，當 VGE=0 V 時，VF 稍高。由于 VF 對應于芯片內部的載流子密度，因此為了實現最低的動態損耗和最低的 Qrr，應將 VF 選為高值。

　　決定如何在二極管導通模式下驅動柵極將取決于應用的脈沖頻率和二極管關閉前去飽和的能力。

　　特殊的柵極驅動方面

　　低損耗 RCDC-IGBT 操作的柵極驅動器需要能夠：

　　檢測二極管導通模式并防止 RCDC-IGBT 柵極導通

　　在二極管關斷之前將 VGE 驅動至 15 V，使 RCDC-IGBT 二極管去飽和

　　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間的情況下，在二極管導通模式下將 VGE 驅動至 0 V

　　在二極管模式下檢測負載電流過零點，并打開 RCDC-IGBT 柵極，實現從二極管到同一開關的 IGBT 的平滑電流轉換

　　檢測 IGBT 模式下的負載電流過零點并關閉 RCDC-IGBT 柵極，以實現低損耗二極管操作

圖2

　　檢測二極管導通模式

　　在傳統逆變器中，正向導通IGBT在互鎖時間段開始時關閉。對于反向二極管，這意味著首先阻斷電壓降低，然后電流開始上升。一旦互鎖時間段結束，二極管的反向并聯 IGBT 柵極就會打開。對于 RCDC-IGBT，需要通過柵極驅動器邏輯阻止導通二極管的反向并聯 IGBT 的打開。

　　建議在從控制側執行開啟命令之前監控開關的 VCE。在這種情況下，在聯鎖時間結束之前，二極管開關兩端的電壓很低，清楚地表明二極管正在導通。

圖3

　　為使二極管去飽和，每個柵極驅動器的互鎖時間是單獨計算的。因此，高端和低端柵極驅動器輸入信號將同時改變。控制信號的下降沿立即執行，關閉 LS-IGBT 柵極。IGBT 正常關閉，高端開關兩端的電壓降低。電壓檢測器檢查高端開關的 VCE 是否低于定義的閾值(顯示為“VCE 低”)。在這種情況下，高端開關將進入二極管導通模式，并且一旦檢測器輸出“VCE 低”發生變化，柵極 (VGE) 將從 -15 V 切換到 0 V。

　　高壓檢測器是一個簡單的頻率補償分壓器。在高壓應用中，此電路通常存在于柵極驅動器級中，用于去飽和檢測，并且不會在物料清單 (BOM) 中添加任何額外部件。

　　二極管去飽和

　　檢測二極管導通狀態并保持相應的開關柵極處于關斷狀態可確保器件內部的高載流子密度，從而保持較低的 VF 值。然而，對于動態損耗減少而言，這種情況并不理想，因為高載流子密度會導致高 Qrr，從而導致 IGBT 開啟和二極管關斷損耗較高。

　　如果二極管開關柵極在二極管關閉之前打開，則工作點將從低 VF 輸出曲線移至高 VF 輸出曲線，二極管載流子濃度會降低，對動態損耗產生很大影響。6.5 kV RCDC-IGBT 的典型去飽和時間為 20 至 100 μs。

圖4

　　對于實際實施，驅動器需要準確預測二極管關斷的時間點。這對應于相反的 IGBT 導通，這(基于信號定義)是在 IGBT 開關控制信號從低變為高并且聯鎖時間 t interlock結束后執行的。

　　圖 4 說明了這種方法。檢測到高端開關二極管導通狀態，并將柵極切換至 VGE=0。現在，高端和低端柵極輸入信號同步變化。低端柵極驅動器計算互鎖時間，并在互鎖時間結束時打開低端 IGBT。

　　二極管開關柵極驅動器通過將 VGE 驅動至 15 V 來產生去飽和脈沖。在聯鎖定時器結束之前，半橋中不會發生主動開關。二極管開關的柵極驅動器在去飽和時間 (tdesat) 內將 VGE 保持在 15 V。tdesat 的持續時間短于 t interlock，因為必須加上剩余的鎖定時間 t lock 。鎖定時間應保持較小以防止二極管再次飽和，從而降低去飽和的影響。6.5 kV RCDC IGBT 的 t lock的典型值為0.5 μs。

　　采用這種方法，二極管去飽和持續時間與應用可容忍的最大聯鎖時間相對應。較長的聯鎖時間可確保最佳設備性能，但會降低系統的動態響應。使用非常小的柵極電阻可使去飽和脈沖的時間常數最短，并產生最佳的去飽和結果。圖 2 將此電阻稱為 RGD，而標稱柵極電阻稱為 RGI(on) 和 RGI(off)。

　　考慮到實際的 6.5 kV 牽引逆變器系統頻率為幾百赫茲，最大聯鎖時間為 20μs，如果柵極在二極管導通模式下以 0 V 運行，則 RCDC-IGBT 性能最佳。在這種情況下，靜態二極管損耗略高于 VGE=-15 V 時的操作。由于 Qrr 低于 VGE=-15 V 二極管操作，因此總損耗最小化。對于其他頻率和較長的去飽和時間，最佳操作時間將有所不同。

　　負載電流過零方法：二極管至 IGBT

　　如果在傳統逆變器方法中二極管導通，則負載電流可能會改變極性，因為反并聯 IGBT 通常通過柵極導通。對于 RCDC-IGBT，必須檢測到這種情況并立即導通柵極，以避免中斷負載電流。

　　如果 PN 二極管導通且電流降至零，則二極管仍充滿載流子，即使反向并聯 IGBT 柵極未導通，負載電流仍可反向流動。在圖 5a 中，負載電流 (IL) 在 t4 時改變方向，但 IC(HS) 仍流過二極管。高端 IGBT 柵極保持關閉狀態，因為其控制信號為低。一旦二極管中的載流子被負載電流耗盡，二極管兩端的電壓就會在時間 t5 反轉。與硬開關事件中的 di/dt 相比，負載電流 di/dt 較小。

　　柵極驅動器必須在二極管導通時檢查正 VCE。一旦 VCE 變為正，柵極就會立即導通。檢測電路必須能夠對低正 VCE 電壓做出反應，以避免輸出電壓變化變得過高。在圖 5a 中，在時間 t5 時，這種影響被夸大了。建議使用帶有高壓二極管鏈、電流源和比較器的經典去飽和檢測電路。

　　圖 6 顯示了通過 H 橋配置中的 RCDC IGBT 從二極管到 IGBT 的負載電流換向。柵極驅動器電路檢測到 VCE 的微小增加(插圖)并打開 RCDC-IGBT 柵極。負載電流改變極性而不會中斷或出現過度電壓失真。

圖6

　　負載電流過零方法：IGBT 至二極管

　　除了負載電流從二極管到 IGBT 的轉換之外，電流還可以改變方向，從 IGBT 流到反并聯二極管。這不會有中斷負載電流的風險，因為柵極保持導通狀態，二極管吸收電流。如果 VGE 保持在 15 V，VF 會不必要地高，因此靜態損耗會增加，直到收到下一個控制命令。建議再次使用建議的去飽和電路，檢測 RCDC-IGBT 兩端的小 VCE 電壓。由于 VF 最初很高，因此從 IGBT 到二極管導通的 VCE 電壓差也會變高，并且很容易檢測到。

　　驅動方案

　　圖 2 顯示了完整的 RCDC-IGBT 柵極驅動器控制方案。狀態機能夠處理所有基本的 RCDC-IGBT 柵極驅動要求，包括二極管導通模式檢測、二極管去飽和、從二極管到 IGBT 的負載電流過零以及反之亦然。

圖7

　　圖 7 顯示了所使用的柵極驅動器。如果需要 IGBT 開關，則使用柵極電阻 RGI(on) 和 RGI(off)。如果需要最小時間常數開關來使二極管去飽和，則使用相對較小的 RGD。先進的 H 橋概念允許在二極管導通時將 VGE 驅動至 0 V。

　　在高壓 IGBT 柵極驅動器中，通常使用高壓分壓器進行去飽和檢測。RCDC-IGBT 柵極驅動器具有去飽和電路，該電路由高壓二極管鏈、比較器和電流源組成。從邏輯上講，狀態機處理三個二進制輸入信號“ctrl”、“VCE”和“HV desat”。

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