1、介绍

在栅极和发射极之间加入正电压可以开通或使IGBT保持于导通状态；理论上，这个电压至少要高于阈值电压VGE(TO)。如果栅极和发射极之间的电压低于阈值电压VGE(TO)，IGBT将关闭或者保持在截止状态。另外，阈值电压VGE(TO)与IGBT的技术和供应商有关系。

IGBT功率模块的开关过程实际是通过栅极电容的充放电速度来控制（栅极电容=输入总电容量CGE+ CCG）开通和关闭。

理论上，可以通过电阻、电压或电流控制栅极电容的充放电过程：

1.1、电阻控制

图（1）电阻控制电路

1.2、电压控制

图（2）电压控制电路

1.3、电流控制

图（3）电流控制电路

2、正驱动电压

如果IGBT栅极和发射极之间的电压为正，或者更准确的说法是该正电压高于阈值电压，IGBT将被开通。由于IGBT的跨导，集电极电流IC是栅-射极电压VGE的函数；另外，饱和压降VGEsat也受控于该电压。也就是说，栅-射极电压越高，集电极电流就越大和饱和压降越低。而通态损耗受控于饱和压降VGEsat=f(IC，VGE)，因此需要使用一个相对高的控制电压来获得最低的通态损耗。必须牢记的是，短路时，高栅-射极电压将导致大短路电流。

在应用中，需要在正常工作时的通态损耗和故障时的最大短路电流之间妥协。数据手册中其典型值为15V，而20V是制造商给出的保证可靠工作的最大值，一设不应该超过20V。否则，在短路时可能产生危险的大电流。如果考虑栅极氧化层的电压阻断能力，其最大耐受值可达到60V甚至到80V。比如：通常100nm的氧化层和特定的绝缘强度为10MV/cm，100V以上才可能产生电弧。但是理论计算值并不被认可，这是因为在氧化层边缘处潜在的毛刺降低了绝缘强度。

另外，更高的正驱动电压值，也会产生更大的驱动功耗；

建议使用的栅极电压应为：

VGS = +10V功率MOSFET模块；VGE = +15V IGBT模块；对低逻辑电压的MOSFET模块，+5V的控制电压就足够了。

2.1、正驱动电压的影响

通常IGBT推荐的正驱动电压为+15V，可以为IGBT提供足够低的C-E饱和压降，下图为IGBT正驱动电压的不同，对C-E饱和电压和集电极电流的影响。

图（4）驱动电压不同，VCE与IC的影响

2.2、负电压控制

如果施加一个负的栅极电压，IGBT将关断。如同正栅极电压，负栅极电压不能低于-20V。通常，数据手册中给出的典型值是-15V。然而在实际应用中，成本跟性能同样重要，所以-15V并不适合所有场合。根据实际情况，关断电压可选-15~0V，很多应用场合选用-10~-5V的关断电压，其原因在于:

所需的驱动功率低，驱动功率与正负栅极电压的差值直接成正比；可用的驱动IC，许多驱动IC是在COMS或者BiCMOS上开发的，限制了阻断电压，比如正负电源电压之间最大值为30V。考虑到电源电压的误差和足够的电压安全裕量，通常栅极负电压的范围为-10~-5V；产生负栅极电压的同时节约电源功率，最小化成本。

小功率电力电子装置通常需要一个低成本IGBT驱动解决方案，而放弃负电源电压会简化驱动供电的设计，所以常见于该类应用。当然采用0V关断可能面临寄生开通的问题，对于小功率的电力电子装置，需要折中考虑成本和寄生开通问题。

大功率的电力电子装置中必须防止寄生开通，根据实际的应用可以采取相关的措施来解决，当然这可能存在一些困难，但也并非不可解决。

寄生开通是指被关断的IGBT再次短时间导通的过程。这种现象通常发生在IGBT半桥拓扑中。

下述两种情况都可能导致IGBT寄生误开通：

米勒电容效应导致寄生开通，产生的原因在于集电极和发射极之间的电压变化率CduCE/dt；发射极的杂散电感也会引起寄生开通，产生的原因在于负载电流的变化率diL/dt。

图（5）半桥电路

图（6）VGE分别为0V和-9V时的寄生开通时的对比实验

由图（6）a可以看出IGBT VT1，有两个明显的集电极峰值电流。第一个电流尖峰是来源于二极管VD2的反向恢复电流，同时，IGBT VT2的瞬时开通导致第二个电流尖峰，持续时间大约为50ns，额外脉冲电流不会直接危害功率半导体器件；然而，额外的损耗导致严重的温升并降低器件的寿命。另外，产生的振荡可能造成驱动级或控制级中电子器件的损坏。多种针对措施，比如IGBT VT2采用栅极负电压关断，可以防止这种情况下的寄生开通。

0~-15V关断电压也会影响IGBT开关时间。当采用0V/15V和-9V/15V的栅极电压分别控制一个1.2kV的IGBT，其实验结果如图（2）所示。0V/15V的控制电压相比-9V/15V的控制电压，IGBT的开通过程略为滞后。延迟时间约为200ns，关断过程也会迟约为650ns。其他的参数，比如VCEmax，dUCE/dt，diC/dt及产生的振荡基本不变，然而后者不再产生寄生开通。

图（7）IGBT开关特性与门极控制电压VGE之间的关系

2.2.1、密勒电容引起的寄生开通

当开通诸如半桥电路下桥臂IGBT VT2时，上桥臂IGBT VT1集-射极电压变化率dUCE/dt发生改变，见图（8），反馈于米勒电容CGC，产生电流iGC，即：

该电流将通过可能存在的IGBT内部栅极电阻RGint、外部栅极电阻RGext，和驱动内部电阻RDr，最后到电源地(这里，电源地和IGBT VT1发射极同电位)，并产生栅极电压，即：

只要栅极电压UGE高于IGBT的阈值电压UGE(TO)，就会产生寄生开通。反过来，如果IGBT VT2已经开通，将导致短路。由于这类短路持续的时间很短，通常大约是10~100ns。

所以不会造成IGBT直通。但是，寄生开通导致IGBT产生额外的开关损耗，如果没有增加设计裕量，当结温超过最大允许结温时，会引发IGBT的热失效。即使未发生热失效，使用寿命也会降低。

在实际应用中，可以通过比较IGBT分别以0V和-8V电压关断的实验结果来确定是否发生了寄生开通。

如图（8）所示，除了寄生电容CGC，还有另外一个寄生电容CGE。部分iGC电流将会通过该电容直接到电源地。所以，在栅极和发射极之间额外增加电容CGE会降低密勒效应。然而，需要注意电容CGE将影响IGBT的开通特性。通常，为了抑制或衰减不需要的振荡，可以用一个小电阻和电容串联。这些振荡来源于包括电容CGE和寄生电感构成的谐振电路。

图（8）米勒电容引起寄生开通

2.2.2、发射极杂散电感引起的寄生开通

IGBT模块和单管IGBT(集成了续流二极管)器件在实际芯片的发射极和外部接线端子的发射极之间存在寄生电感。对于小功率的单管IGBT和IGBT模块，其外部发射极接线端子既通过负载电流，也是驱动的参考地。对于大中功率的模块，发射极接线通常是分开的：

一个射极接线端子为辅助端子，专用于驱动；另一个发射极端子专用于负载。

发射极杂散电感引起的寄生开通如图（9）所示：

图（9）发射极杂散电感引起的寄生开通

当续流二极管关断时，芯片发射极和负载发射极之间会产生电流，并流经杂散电感LσE。而电流的变化产生电压UσE，即

对于那些辅助发射极和负载发射极公用接线端子的模块，UσE和栅-射极电压UGE叠加在一起。比如，如果下管IGBT VT2开通，那么根据上式，二极管VD1的电流变化率diF/dt会在发射极杂散电感上产生压降。

如果电压差超过了阈值电压UGE(TO)，IGBT VT1就会发生寄生开通，其后果和密勒电容引起的寄生开通是一样的。实际测量时会发现，内部杂散电感引起寄生开通就像增大的二极管反向恢复电流一样。同样的，可以通过比较IGBT分别以0V和-8V电压关断的实验结果来确定是否发生了寄生开通。

作为一个防止寄生开通的针对性措施，建议增大栅极电阻RGext，减慢开通IGBT(这里是IGBT VT2)，从而降低diF/dt。需要注意的是，这将增大IGBT的开通损耗。由于寄生开通发生在二极管反向恢复期间，所以采用软恢复二极管也可以有效地减少寄生开通。

如果实际应用中的参数，比如封装、成本等条件许可，应尽可能地把辅助发射极和负载发射极两个端子分开。

对于共发射极的PIM/CIB模块，需要特别注意寄生电感引起的寄生开通现象。在这些模块里，输出桥臂下管IGBT的发射极并联在一起并由一个或两个公共引脚接出来。当其中一个IGBT开关时，会通过公共的发射极及其中的杂散电感影响其他IGBT。需要注意的是对于诸如此类的拓扑，只能通过增大栅极电阻或额外的栅-射极电容来减缓IGBT的开通而更改外围电路无法避免这种影响。

2.2.3、带共辅助射极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（10）通过共射极电感发生寄生开启

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。

3、寄生开关测试

为了验证寄生开启，需要在模块的桥臂中插入一个电流传感器。进行两次验证测试：

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1/10*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。

图（11）带电流传感器的桥臂

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。

4、建议措施

4.1、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）；

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

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；

4.2、利用单独的栅极电阻实现开启和关闭

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。

图（12）单独的开启电阻和关闭电阻

选择 RGoff < RGon可防止通过米勒电容发生容性开启。

5、米勒电流分流

5.1、附加电容

G-E之间附加的电容，起到分流米勒电流的作用：

在栅极和射极之间增加一个电容CG可影响开关行为。该电容可吸收来自米勒电容的额外电荷。由于IGBT的总输入电容为CG||CCG，因此达到阈值电压所需的栅极电荷会提高。

图（13）附加CG电容

由于增加了CG电容，所需的驱动功率增加；以及在相同的RGATE下，IGBT的开关损耗增大了。

5.2、附加RC

图（14）栅极和发射极之间增加RC

在IGBT模块无内置栅极电阻的应用中，建议增加一个电阻RS，并将其与电容串联，用以防止振荡，RS的推荐之如下式所示，这些值来于经验：

RS≈（1/20）*Rgon/off

外加电容的推荐之同样来源于经验，计算如下：

CG≈Qge/3.30V

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；

5.3、利用晶体管分流米勒电流（有源米勒箝位）

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。

图（15）附加三极管的可能设置

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。