當(dāng) IGBT 和二極管功能組合到單片硅中時(shí)，就形成了反向?qū)?IGBT (RC-IGBT)。這允許在單個(gè)硅芯片上構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn) IGBT/二極管模塊。這樣可以在不增加模塊占地面積的情況下增強(qiáng)載流能力，并且根據(jù)器件技術(shù)，允許二極管的電氣性能受到 IGBT 柵極控制狀態(tài)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(shè)備介紹
　　反向?qū)?IGBT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。這創(chuàng)建了二極管功能，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))?！　⊥ㄟ^(guò)這種方法，二極管的功能取決于柵極控制的狀態(tài)。這種類型的器件專為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，稱為帶二極管控制的反向?qū)?IGBT (RCDC-IGBT)。

　　6.5 kV RCDC-IGBT 靜態(tài)二極管性能與柵極電壓的函數(shù)關(guān)系。在橫截面中：紅色是p型摻雜，綠色是n型摻雜。 Tvj=125℃
　　圖 1：6.5 kV RCDC-IGBT 靜態(tài)二極管性能與柵極電壓的函數(shù)關(guān)系。在橫截面中：紅色是p型摻雜，綠色是n型摻雜。 Tvj=125℃
　　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)損耗的角度來(lái)看，在二極管導(dǎo)通模式下，需要關(guān)閉柵極。當(dāng) VGE=-15 V 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最低的 VF，當(dāng) VGE=0 V 時(shí)，VF 會(huì)稍高一些。由于 VF 對(duì)應(yīng)于芯片內(nèi)部的載流子密度，為了獲得最低的動(dòng)態(tài)損耗和最低的 Qrr，應(yīng)選擇 VF是一個(gè)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)用的脈沖頻率以及在關(guān)閉之前使二極管去飽和的能力。
　　特殊柵極驅(qū)動(dòng)方面
　　用于低損耗 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 15V，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
　　檢測(cè)二極管模式下的負(fù)載電流過(guò)零并打開(kāi) RCDC-IGBT 柵極，以實(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)零并關(guān)閉 RCDC-IGBT 柵極以實(shí)現(xiàn)低損耗二極管運(yùn)行

　　RCDC柵極驅(qū)動(dòng)器控制方案流程圖
　　圖2：RCDC柵極驅(qū)動(dòng)器控制方案的流程圖
　　檢測(cè)二極管導(dǎo)通模式
　　在經(jīng)典逆變器中，正向?qū)↖GBT在互鎖時(shí)間段開(kāi)始時(shí)關(guān)閉。對(duì)于相反的二極管，這意味著首先阻斷電壓下降，然后電流開(kāi)始上升。一旦互鎖時(shí)間段結(jié)束，二極管的反并聯(lián) IGBT 柵極就會(huì)導(dǎo)通。對(duì)于 RCDC-IGBT，需要通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器邏輯來(lái)防止導(dǎo)電二極管的反并聯(lián) IGBT 導(dǎo)通。
　　建議在從控制端執(zhí)行開(kāi)啟命令之前監(jiān)控開(kāi)關(guān)的 VCE。在這種情況下，在互鎖時(shí)間結(jié)束之前，二極管開(kāi)關(guān)兩端的電壓較低，這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)
　　出于二極管去飽和的目的，單獨(dú)計(jì)算每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器的互鎖時(shí)間。因此，高側(cè)和低側(cè)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)斷，高側(cè)開(kāi)關(guān)兩端的電壓下降。電壓檢測(cè)器檢查高側(cè)開(kāi)關(guān)的 VCE 是否降至定義的閾值以下（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，高側(cè)開(kāi)關(guān)將進(jìn)入二極管導(dǎo)通模式，并且柵極 (VGE) 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。在高電壓應(yīng)用中，該電路通常出現(xiàn)在柵極驅(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) 中添加任何其他部件?！　ワ柡兔}沖的二極管檢測(cè)

　　圖 4：使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)并將相應(yīng)的開(kāi)關(guān)柵極保持在關(guān)閉狀態(tài)可確保器件內(nèi)部具有高載流子密度，從而保持較低的 VF 值。然而，為了降低動(dòng)態(tài)損耗，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)致高 IGBT 導(dǎo)通和二極管關(guān)斷損耗。
　　如果在二極管關(guān)閉之前打開(kāi)二極管開(kāi)關(guān)柵極，則工作點(diǎn)從低 VF 輸出曲線轉(zhuǎn)移到高 VF 輸出曲線，并且二極管載流子濃度降低，對(duì)動(dòng)態(tài)損耗產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。 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，該導(dǎo)通（根據(jù)信號(hào)定義）是在 IGBT 開(kāi)關(guān)控制信號(hào)從低變?yōu)楦卟⑶一ユi時(shí)間 t interlock結(jié)束后執(zhí)行的。
　　這種方法如圖 4 所示。檢測(cè)到高側(cè)開(kāi)關(guān)二極管導(dǎo)通狀態(tài)并將柵極切換至 VGE=0。現(xiàn)在，高端和低端柵極輸入信號(hào)同步變化。低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器計(jì)算互鎖時(shí)間，并在結(jié)束時(shí)打開(kāi)低側(cè) 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 15V 來(lái)產(chǎn)生去飽和脈沖。在互鎖定時(shí)器結(jié)束之前，半橋中不會(huì)發(fā)生主動(dòng)開(kāi)關(guān)。在去飽和時(shí)間 (tdesat) 內(nèi)，二極管開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器的 VGE 保持在 15V。 tdesat 的持續(xù)時(shí)間短于 t interlock ，因?yàn)楸仨毺砑邮Ｓ噫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，從而減少去飽和的影響。6.5 kV RCDC IGBT 的t lock典型值為0.5 ?s。
　　簡(jiǎn)化的RCDC-IGBT半橋系統(tǒng)，　　演示 t4 時(shí)負(fù)載電流過(guò)零的波形示意圖，電流 IC(HS) 在 t2 ≤ t < t5 期間流過(guò)二極管，在 t5 ≤ t < t6 期間變?yōu)?IGBT

　　圖 5：a) 簡(jiǎn)化的 RCDC-IGBT 半橋系統(tǒng)，b) 用于演示 t4 時(shí)負(fù)載電流過(guò)零的示意波形，電流 IC(HS) 在 t2 ≤ t < t5 期間流經(jīng)二極管，并在 t5 期間變?yōu)?IGBT ≤ t < t6
　　通過(guò)這種方法，二極管去飽和持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)于應(yīng)用所能容忍的最大互鎖時(shí)間。較長(zhǎng)的互鎖時(shí)間可以確保最佳的設(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器可以為去飽和脈沖應(yīng)用最短的時(shí)間常數(shù)，并給出最佳的去飽和結(jié)果。在圖 2 中，該電阻器被稱為 RGD，而標(biāo)稱柵極電阻器被命名為 RGI(on) 和 RGI(off)。
　　考慮到實(shí)際的 6.5 kV 牽引逆變器系統(tǒng)，其頻率為數(shù)百赫茲，最大互鎖時(shí)間為 20μs，如果柵極在二極管導(dǎo)通模式下運(yùn)行在 0 V，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)的工作損耗。由于 Qrr 低于 VGE=-15 V 二極管工作時(shí)的情況，因此總損耗得以最小化。對(duì)于其他頻率和較長(zhǎng)的去飽和時(shí)間，最佳操作時(shí)機(jī)會(huì)有所不同。
　　負(fù)載電流過(guò)零方法：二極管到 IGBT
　　在經(jīng)典逆變器方法中，如果二極管導(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)到這種情況并立即打開(kāi)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，即使反并聯(lián) IGBT 柵極未導(dǎo)通，二極管仍充滿載流子，從而允許負(fù)載電流反轉(zhuǎn)方向。在圖 5a 中，負(fù)載電流 (IL) 在 t4 處改變方向，但與 IC(HS) 一樣，仍然流經(jīng)二極管。高側(cè) IGBT 柵極保持關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)槠淇刂菩盘?hào)為低電平。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 處反轉(zhuǎn)。與硬開(kāi)關(guān)事件中的 di/dt 相比，負(fù)載電流 di/dt 小。
　　當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器必須檢查正 VCE。一旦 VCE 變?yōu)檎?，柵極立即導(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不必要的高。在圖 5a 中，在時(shí)間 t5，這種效應(yīng)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?！　∝?fù)載電流過(guò)零，由二極管（IC0）換向，VGE=15V；當(dāng)檢測(cè)器識(shí)別過(guò)零事件時(shí)，VCE 的增加非常?。▍⒁?jiàn)插圖），負(fù)載電流不會(huì)中斷

　　圖 6：負(fù)載電流過(guò)零，從二極管 (IC0) 換向，VGE=15V；當(dāng)檢測(cè)器識(shí)別過(guò)零事件時(shí)，VCE 的增加非常?。▍⒁?jiàn)插圖），負(fù)載電流不會(huì)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（插圖）的小幅增加并打開(kāi) RCDC-IGBT 柵極。負(fù)載電流改變極性而不會(huì)中斷或過(guò)度電壓失真。
　　負(fù)載電流過(guò)零方法：IGBT 到二極管
　　除了負(fù)載電流從二極管過(guò)渡到 IGBT 之外，電流還可以改變其方向，從 IGBT 流向反并聯(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)并且二極管吸收電流。如果 VGE 保持在 15 V，VF 將不必要地高，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 上的小 VCE 電壓。由于 VF 最初很高，因此從 IGBT 到二極管導(dǎo)通的 VCE 電壓差也變高，并且很容易被檢測(cè)到。　　用于在傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)中操作 RCDC-IGBT 的示意性柵極驅(qū)動(dòng)器電路，從逆變器控制級(jí)只需提供 ctrl 信號(hào)，所有 RCDC-IGBT 特定信息均在柵極驅(qū)動(dòng)器電路內(nèi)部生成和處理。

　　圖 7：在傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)中操作 RCDC-IGBT 的柵極驅(qū)動(dòng)器電路原理圖，逆變器控制級(jí)只需提供 ctrl 信號(hào)，所有 RCDC-IGBT 特定信息均在柵極驅(qū)動(dòng)器電路內(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，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)，則使用柵極電阻器 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，高壓分壓器通常用于去飽和檢測(cè)。 RCDC-IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器具有由高壓二極管鏈、比較器和電流源組成的去飽和電路。邏輯上，狀態(tài)機(jī)處理三個(gè)二進(jìn)制輸入信號(hào)“ctrl”、“VCE”和“HV desat”。