可以通過(guò)用 n 摻雜區(qū)域部分中斷 p 摻雜集電極區(qū)域來(lái)構(gòu)建反向?qū)щ?IGBT。這會(huì)產(chǎn)生二極管功能，但仍有足夠的區(qū)域供 IGBT 將少數(shù)載流子注入漂移區(qū)，以實(shí)現(xiàn)低正向電壓 (VCE(sat))。
　　采用這種方法時(shí)，二極管的功能取決于柵極控制的狀態(tài)。這種類(lèi)型的器件專(zhuān)為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，被稱(chēng)為帶二極管控制的反向傳導(dǎo) IGBT (RCDC-IGBT)?！　?.5 kV RCDC-IGBT 靜態(tài)二極管性能與柵極電壓的關(guān)系。橫截面：紅色為 p 型摻雜，綠色為 n 型摻雜。Tvj=125 °C

　　圖 1：6.5 kV RCDC-IGBT 靜態(tài)二極管性能與柵極電壓的關(guān)系。橫截面：紅色為 p 型摻雜，綠色為 n 型摻雜。Tvj=125 °C
　　損耗最佳 RCDC-IGBT 性能
　　RCDC-IGBT 柵極狀態(tài)對(duì)二極管的正向特性有顯著影響。從靜態(tài)損耗角度來(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)可實(shí)現(xiàn)最低 VF，當(dāng) VGE=0 V 時(shí)，VF 稍高。由于 VF 對(duì)應(yīng)于芯片內(nèi)部的載流子密度，因此為了實(shí)現(xiàn)最低的動(dòng)態(tài)損耗和最低的 Qrr，應(yīng)將 VF 選為高值。
　　決定如何在二極管導(dǎo)通模式下驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O將取決于應(yīng)用的脈沖頻率和二極管關(guān)閉前去飽和的能力。
　　特殊的柵極驅(qū)動(dòng)方面
　　低損耗 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 柵極導(dǎo)通
　　在二極管關(guān)斷之前將 VGE 驅(qū)動(dòng)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(shí)間的情況下，在二極管導(dǎo)通模式下將 VGE 驅(qū)動(dòng)至 0 V
　　在二極管模式下檢測(cè)負(fù)載電流過(guò)零點(diǎn)，并打開(kāi) RCDC-IGBT 柵極，實(shí)現(xiàn)從二極管到同一開(kāi)關(guān)的 IGBT 的平滑電流轉(zhuǎn)換　　檢測(cè) IGBT 模式下的負(fù)載電流過(guò)零點(diǎn)，并關(guān)閉 RCDC-IGBT 柵極，實(shí)現(xiàn)低損耗二極管操作

　　RCDC 柵極驅(qū)動(dòng)器控制方案流程圖
　　圖 2：RCDC 柵極驅(qū)動(dòng)器控制方案流程圖
　　檢測(cè)二極管導(dǎo)通模式
　　在傳統(tǒng)逆變器中，正向?qū)↖GBT在互鎖時(shí)間段開(kāi)始時(shí)關(guān)閉。對(duì)于反向二極管，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)間段結(jié)束，二極管的反向并聯(lián) IGBT 柵極就會(huì)打開(kāi)。對(duì)于 RCDC-IGBT，需要通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器邏輯阻止導(dǎo)通二極管的反向并聯(lián) IGBT 的打開(kāi)。
　　建議在從控制側(cè)執(zhí)行開(kāi)啟命令之前監(jiān)控開(kāi)關(guān)的 VCE。在這種情況下，在聯(lián)鎖時(shí)間結(jié)束之前，二極管開(kāi)關(guān)兩端的電壓很低，清楚地表明二極管正在導(dǎo)通?！　o(wú)去飽和脈沖的二極管檢測(cè)

　　圖 3：無(wú)去飽和脈沖的二極管檢測(cè)
　　為使二極管去飽和，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的互鎖時(shí)間是單獨(dú)計(jì)算的。因此，高端和低端柵極驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)將同時(shí)改變?？刂菩盘?hào)的下降沿立即執(zhí)行，關(guān)閉 LS-IGBT 柵極。IGBT 正常關(guān)閉，高端開(kāi)關(guān)兩端的電壓降低。電壓檢測(cè)器檢查高端開(kāi)關(guān)的 VCE 是否低于定義的閾值（顯示為“VCE 低”）。在這種情況下，一旦檢測(cè)器輸出“VCE 低”發(fā)生變化，高端開(kāi)關(guān)將進(jìn)入二極管導(dǎo)通模式，柵極 (VGE) 將從 -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)償分壓器。在高壓應(yīng)用中，此電路通常存在于柵極驅(qū)動(dòng)器級(jí)中，用于去飽和檢測(cè)，并且不會(huì)在物料清單 (BOM) 中添加任何額外部件。　　帶去飽和脈沖的二極管檢測(cè)

　　圖 4：采用去飽和脈沖的二極管檢測(cè)
　　二極管去飽和
　　檢測(cè)二極管導(dǎo)通狀態(tài)并保持相應(yīng)的開(kāi)關(guān)柵極處于關(guān)斷狀態(tài)可確保器件內(nèi)部的高載流子密度，從而保持較低的 VF 值。然而，對(duì)于動(dòng)態(tài)損耗減少而言，這種情況并不理想，因?yàn)楦咻d流子密度會(huì)導(dǎo)致高 Qrr，從而導(dǎo)致 IGBT 導(dǎo)通和二極管關(guān)斷損耗較高。
　　如果二極管開(kāi)關(guān)柵極在二極管關(guān)閉之前打開(kāi)，則工作點(diǎn)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(huì)降低，對(duì)動(dòng)態(tài)損耗產(chǎn)生很大影響。6.5 kV RCDC-IGBT 的典型去飽和時(shí)間為 20 至 100 ?s。
　　對(duì)于實(shí)際實(shí)施，驅(qū)動(dòng)器需要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)二極管關(guān)斷的時(shí)間點(diǎn)。這對(duì)應(yīng)于相反的 IGBT 導(dǎo)通，這（基于信號(hào)定義）是在 IGBT 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)從低變?yōu)楦卟⑶衣?lián)鎖時(shí)間 t interlock結(jié)束后執(zhí)行的。
　　圖 4 說(shuō)明了這種方法。檢測(cè)到高端開(kāi)關(guān)二極管導(dǎo)通狀態(tài)，并將柵極切換至 VGE=0?，F(xiàn)在，高端和低端柵極輸入信號(hào)同步變化。低端柵極驅(qū)動(dòng)器計(jì)算互鎖時(shí)間，并在互鎖時(shí)間結(jié)束時(shí)打開(kāi)低端 IGBT。　　二極管開(kāi)關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將 VGE 驅(qū)動(dòng)至 15 V 來(lái)產(chǎn)生去飽和脈沖。在聯(lián)鎖定時(shí)器結(jié)束之前，半橋中不會(huì)發(fā)生主動(dòng)開(kāi)關(guān)。二極管開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器在去飽和時(shí)間 (tdesat) 內(nèi)將 VGE 保持在 15 V。tdesat 的持續(xù)時(shí)間短于 t interlock，因?yàn)楸仨毤由鲜Ｓ嗟逆i定時(shí)間 t lock 。鎖定時(shí)間應(yīng)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 s。

　　簡(jiǎn)化的 RCDC-IGBT 半橋系統(tǒng)，
　　t4 時(shí)負(fù)載電流過(guò)零的示意圖波形，電流 IC(HS) 在 t2 ≤ t < t5 期間流過(guò)二極管，在 t5 ≤ t < t6 期間流入 IGBT
　　圖 5：a) 簡(jiǎn)化的 RCDC-IGBT 半橋系統(tǒng)，b) t4 時(shí)負(fù)載電流過(guò)零的示意圖波形，電流 IC(HS) 在 t2 ≤ t < t5 期間流過(guò)二極管，在 t5 ≤ t < t6 期間流入 IGBT
　　采用這種方法，二極管去飽和持續(xù)時(shí)間與應(yīng)用可容忍的最大聯(lián)鎖時(shí)間相對(duì)應(yīng)。較長(zhǎng)的聯(lián)鎖時(shí)間可確保最佳設(shè)備性能，但會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。使用非常小的柵極電阻可使去飽和脈沖的時(shí)間常數(shù)最短，并產(chǎn)生最佳的去飽和結(jié)果。圖 2 將此電阻稱(chēng)為 RGD，而標(biāo)稱(chēng)柵極電阻稱(chēng)為 RGI(on) 和 RGI(off)。
　　考慮到實(shí)際的 6.5 kV 牽引逆變器系統(tǒng)頻率為幾百赫茲，最大聯(lián)鎖時(shí)間為 20s，如果柵極在二極管導(dǎo)通模式下以 0 V 運(yùn)行，則 RCDC-IGBT 性能最佳。在這種情況下，靜態(tài)二極管損耗略高于 VGE=-15 V 時(shí)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(duì)于其他頻率和較長(zhǎng)的去飽和時(shí)間，最佳操作時(shí)間將有所不同。
　　負(fù)載電流過(guò)零方法：二極管至 IGBT
　　如果在傳統(tǒng)逆變器方法中二極管導(dǎo)通，則負(fù)載電流可能會(huì)改變極性，因?yàn)榉床⒙?lián) IGBT 通常通過(guò)柵極導(dǎo)通。對(duì)于 RCDC-IGBT，必須檢測(cè)到這種情況并立即導(dǎo)通柵極，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，則二極管仍充滿(mǎn)載流子，即使反向并聯(lián) IGBT 柵極未導(dǎo)通，負(fù)載電流仍可反向流動(dòng)。在圖 5a 中，負(fù)載電流 (IL) 在 t4 時(shí)改變方向，但 IC(HS) 仍流過(guò)二極管。高端 IGBT 柵極保持關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)槠淇刂菩盘?hào)為低。一旦二極管中的載流子被負(fù)載電流耗盡，二極管兩端的電壓就會(huì)在時(shí)間 t5 反轉(zhuǎn)。與硬開(kāi)關(guān)事件中的 di/dt 相比，負(fù)載電流 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瑬艠O就會(huì)立即導(dǎo)通。檢測(cè)電路必須能夠?qū)Φ驼?VCE 電壓做出反應(yīng)，以避免輸出電壓變化變得過(guò)高。在圖 5a 中，在時(shí)間 t5 時(shí)，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(jīng)典去飽和檢測(cè)電路。

　　負(fù)載電流過(guò)零，從 VGE=15 V 的二極管 (IC0) 換向；檢測(cè)器識(shí)別到過(guò)零事件時(shí)，VCE 的增加非常?。ㄒ?jiàn)插圖），負(fù)載電流不中斷
　　圖 6：負(fù)載電流過(guò)零，從二極管 (IC0) 換向，VGE=15 V；檢測(cè)器識(shí)別到過(guò)零事件時(shí)，VCE 的增加非常?。ㄒ?jiàn)插圖），負(fù)載電流沒(méi)有中斷
　　圖 6 顯示了通過(guò) H 橋配置中的 RCDC IGBT 從二極管到 IGBT 的負(fù)載電流換向。柵極驅(qū)動(dòng)器電路檢測(cè)到 VCE 的微小增加（插圖）并打開(kāi) RCDC-IGBT 柵極。負(fù)載電流改變極性而不會(huì)中斷或出現(xiàn)過(guò)度電壓失真。
　　負(fù)載電流過(guò)零方法：IGBT 至二極管
　　除了負(fù)載電流從二極管到 IGBT 的轉(zhuǎn)換之外，電流還可以改變方向，從 IGBT 流到反并聯(lián)二極管。這不會(huì)有中斷負(fù)載電流的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)闁艠O保持導(dǎo)通狀態(tài)，二極管吸收電流。如果 VGE 保持在 15 V，VF 會(huì)不必要地高，因此靜態(tài)損耗會(huì)增加，直到收到下一個(gè)控制命令。建議再次使用建議的去飽和電路，檢測(cè) RCDC-IGBT 兩端的小 VCE 電壓。由于 VF 最初很高，因此從 IGBT 到二極管導(dǎo)通的 VCE 電壓差也會(huì)變高，并且很容易檢測(cè)到?！　∮糜谠趥鹘y(tǒng)逆變器系統(tǒng)中操作 RCDC-IGBT 的示意圖柵極驅(qū)動(dòng)電路，從逆變器控制級(jí)只需要提供 ctrl 信號(hào)，所有 RCDC-IGBT 特定信息都在柵極驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部生成和處理。

　　圖 7：在傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)中操作 RCDC-IGBT 的原理圖柵極驅(qū)動(dòng)電路，從逆變器控制級(jí)只需要提供 ctrl 信號(hào)，所有 RCDC-IGBT 特定信息都在柵極驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部生成和處理。
　　驅(qū)動(dòng)方案
　　圖 2 顯示了完整的 RCDC-IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器控制方案。狀態(tài)機(jī)能夠處理所有基本的 RCDC-IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)要求，包括二極管導(dǎo)通模式檢測(cè)、二極管去飽和、從二極管到 IGBT 的負(fù)載電流過(guò)零以及反之亦然。
　　圖 7 顯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)來(lái)使二極管去飽和，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 柵極驅(qū)動(dòng)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(tài)機(jī)處理三個(gè)二進(jìn)制輸入信號(hào)“ctrl”、“VCE”和“HV desat”。