IGBT门极驱动到底要不要负压

【导读】先说结论，如果条件允许还是很建议使用负压作为IGBT关断的。但是从成本和设计的复杂度来说，很多工程师客户希望不要使用负压。下面我们从门极寄生导通现象来看这个问题。

IGBT是一个受门极电压控制开关的器件，只有门极电压超过阈值才能开通。工作时常被看成一个高速开关，在实际使用中会产生很高的电压变化dv/dt和电流变化di/dt。电压变化Dv/dt通过米勒电容CCG电容产生分布电流灌入门极，使门极电压抬升，可能导致原本处于关断状态的IGBT开通，如图1所示。电流变化di/dt可以通过发射极和驱动回路共用的电感产生电压，影响门极，如图2。

图1.米勒导通

图2.发射极引线电感带来的感生电动势

应对米勒电流引起的误导通，目前普遍的方法是用米勒钳位，既在某个器件不需要开通的时候给予一个低阻抗回路到电源参考地。如图3，在IGBT处于关断的时候，晶体管T受控导通，以实现门极GE之间低阻状态。

图3.米勒钳位

对于电流变化di/dt作用于门极的情况，因为门极回路里包含有电感和G、E之间的电容，将构成一个二阶电路。一般正常情况下，门极电阻Rg>2√(L⁄C)。但是如果这时候使用了第一种方案中的米勒钳位电路，那么会形成一个低阻尼的二阶回路，从而是门极的电压被抬得更高。

我们用图4的波形来说明门极产生的寄生电压现象。仿真在半桥电路下进行，其中绿色的第4通道，红色的第2通道以及蓝色的第3通道分别是开通IGBT的门极电压、IC电流以及VCE电压。而黄色的第1通道是同一桥臂上对管的门极电压，可以看到有两个正向的包和一个负向的坑。其中第1个包和第1个坑就是由于发射极的电感引起的，在时序正好对应了两次电流的变化。而第2个包则是由dvCE/dt带来的寄生影响，可以通过米勒钳位来抑制，也可以用关断负压解决。但对于前两个尖峰，用米勒钳位效可能会使峰值更高。图5(a)和(b)分别是无米勒钳位和有米勒钳位的波形，从橘色的波形表现来看，用米勒钳位对解决米勒导通非常有效，但对寄生电感引起的门极电压尖峰则效果不佳。特别是第2个向下的峰值很重要，我们接着分析。

图4.实测门极寄生电压

图5(a) 无miller钳位

图5(b) 使用miller钳位

由于受模块内部发射极绑定线的影响，上面的测量都是在外部端子上的，内部G、E上到底如何呢？我们将借助仿真来展现。图6和图7分别是仿真电路测试点和测得的内部电压波形。可以看见内部门极电容上的电压和外部测得的刚好是相反的。之前那个向下的尖峰才是真正会带来门极电压提高的关键！

图6.仿真电路

图7.仿真波形

那加上米勒钳位功能后效果怎么样呢？请参考图8，实线是用了miller功能的，虚线是没有用miller功能的，峰值更大，增加了寄生导通的风险。看来米勒钳位无法解决di/dt引起的寄生导通问题。这种情况下，只能仰仗负压关断，或者增大Rg来放慢di/dt了。

图8.米勒钳位使用与否的仿真对比

在实际产品中，特别是小功率的三相桥模块产品，基本发射极都不是Kelvin结构，连接结构复杂，如图9所示，非常容易出现di/dt引起的寄生导通现象。好在这种小模块使用的时候都会加上不小的门极电阻，从而限制了开关斜率。而大功率模块一般都会有辅助Emitter脚，驱动回路里不会出现大电流叠加。

图9.实际三相桥模块的内部电感分布示意图

总结一下，对于米勒电流引起的寄生导通，在0V关断的情况下，可以使用米勒钳位来抑制。当出现非米勒电流引起的寄生导通时，如果不想减慢开关速度增加损耗的话，加个负压会是一个极其便利的手段。