IGBT門(mén)極驅動(dòng)到底要不要負壓

【導讀】先說(shuō)結論，如果條件允許還是很建議使用負壓作為IGBT關(guān)斷的。但是從成本和設計的復雜度來(lái)說(shuō)，很多工程師客戶(hù)希望不要使用負壓。下面我們從門(mén)極寄生導通現象來(lái)看這個(gè)問(wèn)題。

IGBT是一個(gè)受門(mén)極電壓控制開(kāi)關(guān)的器件，只有門(mén)極電壓超過(guò)閾值才能開(kāi)通。工作時(shí)常被看成一個(gè)高速開(kāi)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(guò)米勒電容CCG電容產(chǎn)生分布電流灌入門(mén)極，使門(mén)極電壓抬升，可能導致原本處于關(guān)斷狀態(tài)的IGBT開(kāi)通，如圖1所示。電流變化di/dt可以通過(guò)發(fā)射極和驅動(dòng)回路共用的電感產(chǎn)生電壓，影響門(mén)極，如圖2。

圖1.米勒導通

圖2.發(fā)射極引線(xiàn)電感帶來(lái)的感生電動(dòng)勢

應對米勒電流引起的誤導通，目前普遍的方法是用米勒鉗位，既在某個(gè)器件不需要開(kāi)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受控導通，以實(shí)現門(mén)極GE之間低阻狀態(tài)。

圖3.米勒鉗位

對于電流變化di/dt作用于門(mén)極的情況，因為門(mén)極回路里包含有電感和G、E之間的電容，將構成一個(gè)二階電路。一般正常情況下，門(mén)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(mén)極的電壓被抬得更高。

我們用圖4的波形來(lái)說(shuō)明門(mén)極產(chǎn)生的寄生電壓現象。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通道以及藍色的第3通道分別是開(kāi)通IGBT的門(mén)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管的門(mén)極電壓，可以看到有兩個(gè)正向的包和一個(gè)負向的坑。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)序正好對應了兩次電流的變化。而第2個(gè)包則是由dvCE/dt帶來(lái)的寄生影響，可以通過(guò)米勒鉗位來(lái)抑制，也可以用關(guān)斷負壓解決。但對于前兩個(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(wú)米勒鉗位和有米勒鉗位的波形，從橘色的波形表現來(lái)看，用米勒鉗位對解決米勒導通非常有效，但對寄生電感引起的門(mén)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(zhù)分析。

圖4.實(shí)測門(mén)極寄生電壓

圖5(a) 無(wú)miller鉗位

圖5(b) 使用miller鉗位

由于受模塊內部發(fā)射極綁定線(xiàn)的影響，上面的測量都是在外部端子上的，內部G、E上到底如何呢？我們將借助仿真來(lái)展現。圖6和圖7分別是仿真電路測試點(diǎn)和測得的內部電壓波形?？梢钥匆?jiàn)內部門(mén)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(lái)門(mén)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？請參考圖8，實(shí)線(xiàn)是用了miller功能的，虛線(xiàn)是沒(méi)有用miller功能的，峰值更大，增加了寄生導通的風(fēng)險?？磥?lái)米勒鉗位無(wú)法解決di/dt引起的寄生導通問(wèn)題。這種情況下，只能仰仗負壓關(guān)斷，或者增大Rg來(lái)放慢di/dt了。

圖8.米勒鉗位使用與否的仿真對比

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結構，連接結構復雜，如圖9所示，非常容易出現di/dt引起的寄生導通現象。好在這種小模塊使用的時(shí)候都會(huì )加上不小的門(mén)極電阻，從而限制了開(kāi)關(guān)斜率。而大功率模塊一般都會(huì )有輔助Emitter腳，驅動(dòng)回路里不會(huì )出現大電流疊加。

圖9.實(shí)際三相橋模塊的內部電感分布示意圖

總結一下，對于米勒電流引起的寄生導通，在0V關(guān)斷的情況下，可以使用米勒鉗位來(lái)抑制。當出現非米勒電流引起的寄生導通時(shí)，如果不想減慢開(kāi)關(guān)速度增加損耗的話(huà)，加個(gè)負壓會(huì )是一個(gè)極其便利的手段。