IGBT門極驅(qū)動(dòng)到底要不要負(fù)壓

【導(dǎo)讀】先說結(jié)論，如果條件允許還是很建議使用負(fù)壓作為IGBT關(guān)斷的。但是從成本和設(shè)計(jì)的復(fù)雜度來說，很多工程師客戶希望不要使用負(fù)壓。下面我們從門極寄生導(dǎo)通現(xiàn)象來看這個(gè)問題。

IGBT是一個(gè)受門極電壓控制開關(guān)的器件，只有門極電壓超過閾值才能開通。工作時(shí)常被看成一個(gè)高速開關(guān)，在實(shí)際使用中會(huì)產(chǎn)生很高的電壓變化dv/dt和電流變化di/dt。電壓變化Dv/dt通過米勒電容CCG電容產(chǎn)生分布電流灌入門極，使門極電壓抬升，可能導(dǎo)致原本處于關(guān)斷狀態(tài)的IGBT開通，如圖1所示。電流變化di/dt可以通過發(fā)射極和驅(qū)動(dòng)回路共用的電感產(chǎn)生電壓，影響門極，如圖2。

圖1.米勒導(dǎo)通

圖2.發(fā)射極引線電感帶來的感生電動(dòng)勢

應(yīng)對(duì)米勒電流引起的誤導(dǎo)通，目前普遍的方法是用米勒鉗位，既在某個(gè)器件不需要開通的時(shí)候給予一個(gè)低阻抗回路到電源參考地。如圖3，在IGBT處于關(guān)斷的時(shí)候，晶體管T受控導(dǎo)通，以實(shí)現(xiàn)門極GE之間低阻狀態(tài)。

圖3.米勒鉗位

對(duì)于電流變化di/dt作用于門極的情況，因?yàn)殚T極回路里包含有電感和G、E之間的電容，將構(gòu)成一個(gè)二階電路。一般正常情況下，門極電阻Rg>2√(L?C)。但是如果這時(shí)候使用了第一種方案中的米勒鉗位電路，那么會(huì)形成一個(gè)低阻尼的二階回路，從而是門極的電壓被抬得更高。

我們用圖4的波形來說明門極產(chǎn)生的寄生電壓現(xiàn)象。仿真在半橋電路下進(jìn)行，其中綠色的第4通道，紅色的第2通道以及藍(lán)色的第3通道分別是開通IGBT的門極電壓、IC電流以及VCE電壓。而黃色的第1通道是同一橋臂上對(duì)管的門極電壓，可以看到有兩個(gè)正向的包和一個(gè)負(fù)向的坑。其中第1個(gè)包和第1個(gè)坑就是由于發(fā)射極的電感引起的，在時(shí)序正好對(duì)應(yīng)了兩次電流的變化。而第2個(gè)包則是由dvCE/dt帶來的寄生影響，可以通過米勒鉗位來抑制，也可以用關(guān)斷負(fù)壓解決。但對(duì)于前兩個(gè)尖峰，用米勒鉗位效可能會(huì)使峰值更高。圖5(a)和(b)分別是無米勒鉗位和有米勒鉗位的波形，從橘色的波形表現(xiàn)來看，用米勒鉗位對(duì)解決米勒導(dǎo)通非常有效，但對(duì)寄生電感引起的門極電壓尖峰則效果不佳。特別是第2個(gè)向下的峰值很重要，我們接著分析。

圖4.實(shí)測門極寄生電壓

圖5(a) 無miller鉗位

圖5(b) 使用miller鉗位

由于受模塊內(nèi)部發(fā)射極綁定線的影響，上面的測量都是在外部端子上的，內(nèi)部G、E上到底如何呢？我們將借助仿真來展現(xiàn)。圖6和圖7分別是仿真電路測試點(diǎn)和測得的內(nèi)部電壓波形?？梢钥匆妰?nèi)部門極電容上的電壓和外部測得的剛好是相反的。之前那個(gè)向下的尖峰才是真正會(huì)帶來門極電壓提高的關(guān)鍵！

圖6.仿真電路

圖7.仿真波形

那加上米勒鉗位功能后效果怎么樣呢？請(qǐng)參考圖8，實(shí)線是用了miller功能的，虛線是沒有用miller功能的，峰值更大，增加了寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)?？磥砻桌浙Q位無法解決di/dt引起的寄生導(dǎo)通問題。這種情況下，只能仰仗負(fù)壓關(guān)斷，或者增大Rg來放慢di/dt了。

圖8.米勒鉗位使用與否的仿真對(duì)比

在實(shí)際產(chǎn)品中，特別是小功率的三相橋模塊產(chǎn)品，基本發(fā)射極都不是Kelvin結(jié)構(gòu)，連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖9所示，非常容易出現(xiàn)di/dt引起的寄生導(dǎo)通現(xiàn)象。好在這種小模塊使用的時(shí)候都會(huì)加上不小的門極電阻，從而限制了開關(guān)斜率。而大功率模塊一般都會(huì)有輔助Emitter腳，驅(qū)動(dòng)回路里不會(huì)出現(xiàn)大電流疊加。

圖9.實(shí)際三相橋模塊的內(nèi)部電感分布示意圖

總結(jié)一下，對(duì)于米勒電流引起的寄生導(dǎo)通，在0V關(guān)斷的情況下，可以使用米勒鉗位來抑制。當(dāng)出現(xiàn)非米勒電流引起的寄生導(dǎo)通時(shí)，如果不想減慢開關(guān)速度增加損耗的話，加個(gè)負(fù)壓會(huì)是一個(gè)極其便利的手段。