利用单级栅电压驱动IGBT
利用单级栅电压驱动IGBT
参考英飞凌应用笔记：AN-2006-01
一般厂家都会建议使用负栅电压来安全地关闭并阻断 IGBT 模块。在标称电流小于 100 A 的场合，出于成本原因，常常会忽略负栅电压。
现在我们讨论关于IGBT 模块单极驱动的特殊考虑。
1. 0V关闭
新一代 IGBT 芯片具有多种优势。其中的一些突出亮点是更宽的动态范围、更快的开关速度、更少的开关损耗和更低的导通损耗。
切换至 0 V 时，有两个效应可能会产生影响：
通过米勒电容发生寄生开启。
通过杂散电感发生寄生开启。
1.1 通过米勒电容开启
开启半桥中的下方 IGBT 时，上方 IGBT/二极管上会发生 dvCE/dt 的电压变化。这就会引起一个位移电流 流动，对上方 IGBT 的寄生电容 CCG充电。
电容 CCG和 CGE形成一个容性分压器。图 1 显示了经由上方 IGBT 米勒电容的电流路径。
电流 iCG流经米勒电容、串联电阻、CGE和直流母线。
如果栅极电阻上的压降超过 IGBT 的阈值电压，就会发生寄生开启情况。
随着芯片温度上升，阈值电压将以数 mV/K 的速率下降。
当上方 IGBT 切换时，会有一个电流流经下方 IGBT 的米勒电容，同样可能引起寄生开启。
1.2 通过杂散电感开启
关闭负载电流时，射极杂散电感上会感应产生一个电压 ：
开启 IGBT T1时，主电流将从续流二极管 D2切换到 IGBT。二极管反向恢复衰变产生的 diC2/dt 在 LσE2上感应产生一个电压，使 T2的射极电位变为负值。
如果通过高 diC/dt 产生的感应电压高于IGBT 的阈值电压，就会导致 T2寄生开启。
1.3 带共辅助射级的模块中的寄生开启
在多个 IGBT 的辅助射极连接与一个共射极连接合一的模块中，非常快速的切换可能会在射极杂散电感上感应产生一个电压。
图 3 所示为等效电路图：
模块中的寄生电感编号为 Lσ1至 Lσ9。开启 IGBT T6时，Lσ2至 Lσ3上产生一个感应电压，这会影响 T2。
IGBT T2 的射极电位因此而发生偏移，当该电压变化超过阈值电压时，就会导致 IGBT T2寄生开启。
2. 寄生开关的证明
为了证明寄生开启，需要在模块的桥臂中插入一个电流传感器。进行两次测量可获得确凿的证据。
- 向下方 IGBT 发送双脉冲，同时用负电压阻断上方 IGBT。
- 向下方 IGBT 发送双脉冲，同时按照本应用说明稍后所述，关断上方 IGBT。
建议用不同的电流进行两次测量，电流介于0.1*ICnom和 2 *ICnom之间。
当两条电流曲线差别很大时，即已证明寄生开启。这里需要特别注意的是较高的电流峰值、较宽的反向电流峰值和/或额外的电流脉冲。抑制意外开通的方法详见“建议措施”部分所述。
在采用螺丝端子电源连接的应用中，常常可以使用罗氏线圈进行测量。
但是，多数情况下无法直接在一个臂中测量。在较小模块中，负载电流常常通过焊接管脚引入 PCB。这里建议在直流母线中测量，例如使用罗氏线圈或电流取样电阻。
3.建议措施
3.1 改变栅极电阻
开启过程中的电压变化-dvCE/dt 和电流变化 diC/dt，可通过改变栅极电阻RGon 来施加影响。提高栅极电阻可减小电压和电流变化。IGBT 开关速度会变慢；
另请参见表 1。
降低 RGoff 值可消除容性寄生开启。然而，感性寄生开启则要通过提高RGoff值来防止。
3.2 利用单独的栅极电阻实现非要害开启和关闭
许多应用中，若开启电阻和关闭电阻使用不同的电阻，则可实现非临界开关特性。
选择 RGoff < RGon可防止通过米勒电容发生容性开启；参见“通过米勒电容开启”部分。
3.3 增加栅极射电容来分流米勒电流
在栅极和射极之间增加一个电容 CG 可影响开关行为。该电容可吸收源自米勒电容的额外电荷。由于 IGBT 的总输入电容为 CG||CGE，因此达到阈值电压所需的栅极电荷会提高。
在 IGBT 模块无内置栅极电阻的应用中，建议增加一个电阻 RS 并将其与该电容串联，以防止振荡。
RS的推荐值为：
这些值得自于工程应用经验。
外加电容的推荐值同样得自于经验，计算如下：
由于增加了电容，所需的驱动功率会提高，IGBT 的开关损耗也会提高，具体取决于如何更改 RGon/off。
3.4 利用晶体管分流米勒电流（有源米勒钳位）
防止意外开通的另一个措施是短接栅极至射极路径。
这可以通过在栅极与射极之间增加一个三极管来实现。
只要驱动器在其输出端显示一个 0V 信号，此“开关”就会在一定的时间延迟后短接栅射区。肖特基二极管防止来自米勒电容的电流经由栅极电阻返回。
米勒电容上出现的电流由三极管以受控方式分流。这可以保证安全开关。
4. 结论
表 1 总结了上面讨论的各种措施，并给出了其优缺点。
RGon为 IGBT开通电阻；
RGoff为 IGBT关闭电阻。
RGon/off时开启和关闭 IGBT 通用的电阻。
表 1：不同措施的效果
++：效果非常好
+：有所改善
-：恶化
o：无变化
↑：提高
↓：降低
