怎样去设计单正向栅驱动IGBT？

　　目前，为了防止高dV/dt应用于桥式电路中的IGBT时产生瞬时集电极电流，设计人员一般会设计栅特性是需要负偏置栅驱动的IGBT。然而提供负偏置增加了电路的复杂性，也很难使用高压集成电路（HVIC）栅驱动器，因为这些IC是专为接地操作而设计──与控制电路相同。因此，研发有高dV/dt能力的IGBT以用于“单正向”栅驱动器便最为理想了。这样的器件已经开发出来了。器件与负偏置栅驱动IGBT进行性能表现的比较测试，在高dV/dt条件下得出优越的测试结果。
　　为了理解dV/dt感生开通现象，我们必须考虑跟IGBT结构有关的电容。图1显示了三个主要的IGBT寄生电容。集电极到发射极电容C，集电极到栅极电容C和栅极到发射极电容CGE。
　　
　　图1 IGBT器件的寄生电容
　　这些电容对桥式变换器设计是非常重要的，大部份的IGBT数据表中都给出这些参数：
　　输出电容，COES＝CCE＋CGC（CGE短路）
　　输入电容，CIES＝CGC＋CGE（CCE短路）
　　反向传输电容，CRES＝CGC
　　
　　图2 半桥电路
　　图2给出了用于多数变换器设计中的典型半桥电路。集电极到栅极电容C和栅极到发射极电容C组成了动态分压器。当高端IGBT（Q2）开通时，低端IGBT（Q1）的发射极上的dV/dt会在其栅极上产生正电压脉冲。对于任何IGBT，脉冲的幅值与栅驱动电路阻抗和dV/dt的实际数值有直接关系。IGBT本身的设计对减小C和C的比例非常重要，它可因此减小dV/dt感生电压幅值。
　　如果dV/dt感生电压峰值超过IGBT的阀值，Q1产生集电极电流并产生很大的损耗，因为此时集电极到发射极的电压很高。
　　为了减小dV/dt感生电流和防止器件开通，可采取以下措施：
　　关断时采用栅极负偏置，可防止电压峰值超过V，但问题是驱动电路会更复杂。
　　减小IGBT的CGC寄生电容和多晶硅电阻Rg’。
　　减小本征JFET的影响
　　图3给出了为反向偏置关断而设计的典型IGBT电容曲线。CRES曲线（及其他曲线）表明一个特性，电容一直保持在较高水平，直到V接近15V，然后才下降到较低值。如果减小或消除这种“高原”（plateau） 特性，C的实际值就可以进一步减小。
　　这种现象是由IGBT内部的本征JFET引起的。如果JFET的影响可以最小化，C和C可随着VCE的提高而很快下降。这可能减小实际的CRES，即减小dV/dt感生开通对IGBT的影响。
　　
　　图3 需负偏置关断的典型IGBT的寄生电容与V的关系。
　　IRGP30B120KD-E是一个备较小C和经改良JFET的典型IGBT。这是一个1200V，30A NPT IGBT。它是一个Co-Pack器件，与一个反并联超快软恢复二极管共同配置于TO-247封装。
　　设计人员可减小多晶体栅极宽度，降低本征JFET的影响，和使用元胞设计几何图形，从而达到以上的目标。
　　对两种1200V NPT IGBT进行比较：一种是其他公司的需负偏置关断的器件，一种是IR公司的NPT单正向栅驱动IRGP30B120KD-E。测试结果表明其他公司的器件在源电阻为56Ω下驱动时，dV/dt感生电流很大。
　　比较寄生电容的数据，IR器件的三种电容也有减小：
　　输入电容，CIES减小25％
　　输出电容，COES减小35％
　　反向传输电容，CRES减小68％
　　
　　图4 寄生电容比较
　　图5显示出IR器件的减小电容与V的关系，得出的平滑曲线是由于减小了JFET的影响。当V＝0V时，负偏置栅驱动器件的C为1100pF，IRGP30B120KD-E只有350pF，当VCE＝30V时，负偏置栅驱动器件的C为170pF，IRGP30B120KD-E的CRES为78pF。很明显，IRGP30B120KD-E具有非常低的C，因此在相同的dV/dt条件下dV/dt感生电流将非常小。
　　
　　图5 IRGP30B120KD-E寄生电容与VCE的关系
　　图6的电路用来比较测试两种器件的电路性能。两者的dV/dt感生电流波形也在相同的dV/dt值下得出。
　　
　　图6 dV/dt感生开通电流的测试电路
　　测试条件：
　　电压率，dV/dt=3.0V/nsec
　　直流电压，Vbus=600V
　　外部栅到发射极电阻Rg=56Ω
　　环境温度，TA＝125°C
　　
　　图7 其他公司的IGBT的低端IGBT开关电压和dV/dt感生电流的18A峰值
　　
　　图8 IRGP30B120KD-E IGBT的低端IGBT开关电压和dV/dt感生电流的1.9A峰值
　　dV/dt感生电流的减小清楚说明单正向栅驱动设计的优胜之处。但在这个测试中，Co-Pack二极管电流的影响并没有完全计算在内。为了只显示出IGBT对整体电流的影响，我们只利用相同的分立式反并联二极管再重复测试，如图9中的Ice（cntrl）。
　　
　　图9 利用相同的分立式Co-Pack二极管产生的dV/dt感生电流
　　图10显示出在没有IGBT情况下，负偏置栅驱动器IGBT的I电流。图11为IRGP30B120KD-E单正向栅驱动器的I电流。两种情况下的电流都很低，分别为1A和0.8A。
　　
　　图10 其他公司的IGBT的Co-Pack二极管内的低端IGBT的VCE和dV/dt感生电流1A峰值
　　
　　图11 IRG30B120KD-E的Co-Pack二极管内的低端IGBT的VCE和dV/dt感生电流0.8A峰值
　　如果从整体IGBT/二极管电流中减去图10和图11的二极管电流，结果是
　　I（负偏置栅驱动IGBT）= 18-1 = 17A
　　I（IRGP30B120KD-E）= 1.9-0.8 = 0.8A
　　可见总的减小为17:0.8 = 21:1
　　在相同的测试条件下，当栅电压是在0V或单正向栅驱动情况下，IRGP30B120KD的电路性能显示dV/dt感生开通电流减小比例为21:1。如果IGBT采用这种方式驱动，电流很小，对功耗的影响几乎可以忽略。
　　
　　图12 栅驱动波形
　　采用单正向栅驱动IGBT有下列好处：
　　不需要负偏置
　　驱动器电路成本更低
　　更高的栅抗噪声功能
　　更高的dV/dt耐容
　　与不能提供负偏置驱动的IR单片式栅驱动器兼容
　　
　　图13 具有电平转换的栅驱动IC电路
　　上述设计对PT和NPT IGBT同样有效。
　　结论：
　　单正向栅驱动IGBT是器件发展的巨大进步。IRGP30B120KD-E的C值很低，在单正向栅驱动条件下，其开关性能非常理想。器件不需要负偏置栅驱动便能可靠关断，即使在集电极的dV/dt为3V/ns。与单片式栅驱动器的兼容性更为桥式变换器和交流电机驱动提供更优越和成本更低的解决方案。所以我们期望这些先进的IGBT能为新的IC设计提供更大的优势。