“單正向”柵驅動IGBT簡化驅動電路

　　目前，為了防止高dV/dt應用于橋式電路中的IGBT時產生瞬時集電極電流，設計人員一般會設計柵特性是需要負偏置柵驅動的IGBT。然而提供負偏置增加了電路的復雜性，也很難使用高壓集成電路（HVIC）柵驅動器，因為這些IC是專為接地操作而設計──與控制電路相同。因此，研發有高dV/dt能力的IGBT以用于“單正向”柵驅動器便最為理想了。這樣的器件已經開發出來了。器件與負偏置柵驅動IGBT進行性能表現的比較測試，在高dV/dt條件下得出優越的測試結果。

　　為了理解dV/dt感生開通現象，我們必須考慮跟IGBT結構有關的電容。圖1顯示了三個主要的IGBT寄生電容。集電極到發射極電容C，集電極到柵極電容C和柵極到發射極電容CGE。

　　這些電容對橋式變換器設計是非常重要的，大部份的IGBT數據表中都給出這些參數：

　　輸出電容，COES＝CCE＋CGC（CGE短路）

　　輸入電容，CIES＝CGC＋CGE（CCE短路）

　　反向傳輸電容，CRES＝CGC

　　圖2給出了用于多數變換器設計中的典型半橋電路。集電極到柵極電容C和柵極到發射極電容C組成了動態分壓器。當高端IGBT（Q2）開通時，低端IGBT（Q1）的發射極上的dV/dt會在其柵極上產生正電壓脈沖。對于任何IGBT，脈沖的幅值與柵驅動電路阻抗和dV/dt的實際數值有直接關系。IGBT本身的設計對減小C和C的比例非常重要，它可因此減小dV/dt感生電壓幅值。

　　如果dV/dt感生電壓峰值超過IGBT的閥值，Q1產生集電極電流并產生很大的損耗，因為此時集電極到發射極的電壓很高。

　　為了減小dV/dt感生電流和防止器件開通，可采取以下措施：

　　關斷時采用柵極負偏置，可防止電壓峰值超過V，但問題是驅動電路會更復雜。
減小IGBT的CGC寄生電容和多晶硅電阻Rg’。
減小本征JFET的影響

　　圖3給出了為反向偏置關斷而設計的典型IGBT電容曲線。CRES曲線（及其他曲線）表明一個特性，電容一直保持在較高水平，直到V接近15V，然后才下降到較低值。如果減小或消除這種“高原”(plateau) 特性，C的實際值就可以進一步減小。

　　這種現象是由IGBT內部的本征JFET引起的。如果JFET的影響可以最小化，C和C可隨著VCE的提高而很快下降。這可能減小實際的CRES，即減小dV/dt感生開通對IGBT的影響。

　　IRGP30B120KD-E是一個備較小C和經改良JFET的典型IGBT。這是一個1200V，30A NPT IGBT。它是一個Co-Pack器件，與一個反并聯超快軟恢復二極管共同配置于TO-247封裝。

　　設計人員可減小多晶體柵極寬度，降低本征JFET的影響，和使用元胞設計幾何圖形，從而達到以上的目標。

　　對兩種1200V NPT IGBT進行比較：一種是其他公司的需負偏置關斷的器件，一種是IR公司的NPT單正向柵驅動IRGP30B120KD-E。測試結果表明其他公司的器件在源電阻為56Ω下驅動時，dV/dt感生電流很大。

　　比較寄生電容的數據，IR器件的三種電容也有減小：

　　輸入電容，CIES減小25％
　　輸出電容，COES減小35％
　　反向傳輸電容，CRES減小68％

　　@V=0V
　　 CS (pF)
　　 CS (pF)
　　 CS (pF)
 
　　負偏置柵驅動IGBT
　　 4000
　　 1400
　　 1100
 
　　IRGP30B120KD-E
 　　3000
 　　900
 　　350
 
　　圖5顯示出IR器件的減小電容與V的關系，得出的平滑曲線是由于減小了JFET的影響。當V＝0V時，負偏置柵驅動器件的C為1100pF，IRGP30B120KD-E只有350pF，當VCE＝30V時，負偏置柵驅動器件的C為170pF，IRGP30B120KD-E的CRES為78pF。很明顯，IRGP30B120KD-E具有非常低的C，因此在相同的dV/dt條件下dV/dt感生電流將非常小。

　　測試條件：

　　電壓率，dV/dt=3.0V/nsec
　　直流電壓，Vbus=600V
　　外部柵到發射極電阻Rg=56Ω
　　環境溫度，TA＝125