當IGBT和二極管的功能結合在單個硅片上時，就產生了反向導電IGBT(RC-IGBT)。這使得標準的IGBT/二極管模塊可以在單個硅芯片上構建，從而增強了電流承載能力，而無需增加模塊的占地面積。此外，根據器件技術的不同，二極管的電氣性能可以受到IGBT柵極控制狀態的影響。然而，為了管理復合RC-IGBT中的損耗，需要考慮特殊的控制方法。

器件介紹

反向導電IGBT可以通過部分中斷p型摻雜的集電區來構建n型摻雜區域。這創造了二極管的功能，同時仍然保留了足夠的區域，使IGBT能夠將少數載流子注入漂移區，以實現低前向電壓(VCE(sat))。

通過這種方法，二極管的功能依賴于柵極控制的狀態。這類器件設計用于硬開關應用，稱為帶二極管控制的反向導電IGBT(RCDC-IGBT)。

損耗最優的RCDC-IGBT性能

RCDC-IGBT的柵極狀態對二極管的前向特性有顯著影響。從靜態損耗的角度來看，在二極管導通模式下，柵極需要關閉。當VGE=-15 V時，可以實現最低的VF，當VGE=0 V時略高。由于VF與芯片內的載流子密度對應，因此為了最低的動態損耗及最低的Qrr，應選擇較高的VF值。

如何在二極管導通模式下驅動柵極將取決于應用的脈沖頻率以及在二極管關閉之前對其進行去飽和的能力。

特殊柵極驅動方面

低損失RCDC-IGBT操作的柵極驅動器需要能夠：

· 檢測二極管導通模式并防止RCDC-IGBT柵極的開啟

· 在二極管關閉之前，通過將VGE驅動至15 V來去飽和RCDC-IGBT二極管

· 在典型的6.5 kV逆變器脈沖頻率和有限的二極管去飽和時間下，將VGE驅動至0 V

· 檢測二極管模式下的負載電流零交叉，并為同一開關的IGBT順利切換電流開啟RCDC-IGBT柵極

· 檢測IGBT模式下的負載電流零交叉，并關閉RCDC-IGBT柵極以實現低損耗二極管操作

檢測二極管導通模式

在經典的逆變器中，前向導電的IGBT在互鎖時間開始時被關閉。對于相應的二極管，這意味著首先，阻斷電壓降低，然后電流開始上升。一旦互鎖時間結束，二極管的并聯IGBT柵極被打開。對于RCDC-IGBT，必須通過柵極驅動邏輯防止導電二極管的并聯IGBT的開啟。

建議在執行來自控制端的開啟命令之前監測開關的VCE。在這種情況下，二極管開關上的電壓在互鎖時間結束之前較低，明顯表明二極管正在導通。

為進行二極管去飽和，互鎖時間為每個柵極驅動器單獨計算。因此，高側和低側柵極驅動器的輸入信號會同時變化。控制信號的下降沿會立即執行，關閉低側IGBT的柵極。IGBT正常關閉，高側開關上的電壓下降。電壓檢測器檢查高側開關的VCE是否降到定義的閾值以下(顯示為“VCE低”)。在這種情況下，高側開關將進入二極管導通模式，柵極(VGE)在檢測器輸出“VCE低”變化后立即從-15 V切換到0 V。

高壓檢測器是一個簡單的頻率補償電壓分壓器。在高壓應用中，這個電路通常存在于柵極驅動階段，用于去飽和檢測目的，并且不會增加其他元件到材料清單(BOM)中。

負載電流零交叉方法：從二極管到IGBT

在經典的逆變器方法中，當二極管導通時，負載電流可以在并聯IGBT正常通過柵極開啟的情況下改變極性。對于RCDC-IGBT，必須檢測到這種情況并立即開啟柵極，以避免中斷負載電流。

如果PN二極管導通且電流降至零，二極管內的載流子仍然充足，允許負載電流反向流動，即使并聯IGBT柵極未開啟。在圖5a中，負載電流(IL)在t4時改變方向，但IC(HS)仍然流過二極管。高側IGBT的柵極保持在關閉狀態，因為其控制信號為低。一旦負載電流耗盡二極管中的載流子，二極管上的電壓在t5時反向。此時的負載電流di/dt相較于硬開關事件中的di/dt較小。

柵極驅動器必須在二極管導通時檢查正VCE。一旦VCE變為正值，柵極立即開啟。檢測電路必須能夠對低正VCE電壓做出反應，以避免輸出電壓變化過高。在圖4中，t5時這一效應被夸大。建議使用經典的去飽和檢測電路，配備高壓二極管鏈、電流源和比較器。

圖5展示了負載電流在二極管與IGBT之間的換向，采用RCDC IGBT的H橋配置。柵極驅動電路檢測到VCE的小幅上升(插圖)，并開啟RCDC-IGBT的柵極。負載電流無需中斷或過多的電壓失真地改變極性。

負載電流零交叉方法：從IGBT到二極管

除了負載電流從二極管轉向IGBT外，電流還可以改變方向，從IGBT流向并聯二極管。由于柵極保持開啟狀態，二極管負責引流，因此不會中斷負載電流。如果VGE保持在15 V，VF將不必要地高，導致靜態損耗增加，直到接收到下一個控制命令。建議再次使用建議的去飽和電路，檢測RCDC-IGBT上的小VCE電壓。由于VF最初較高，因此IGBT到二極管導通的VCE電壓差也會增大，并且可以容易檢測。

驅動方案

圖2展示了完整的RCDC-IGBT柵極驅動控制方案。狀態機能夠處理所有基本的RCDC-IGBT柵極驅動需求，包括二極管導通模式檢測、二極管去飽和、負載電流從二極管到IGBT的零交叉及其反向過程。

圖6展示了所使用的柵極驅動器。如果需要IGBT開關，則使用柵極電阻RGI(on)和RGI(off)。如果需要最小時間常數開關以去飽和二極管，則使用相對較小的RGD。先進的H橋概念允許在二極管導通時將VGE驅動至0 V。

在高壓IGBT柵極驅動器中，通常使用高壓分壓器進行去飽和檢測。RCDC-IGBT的柵極驅動器具有一個由高壓二極管鏈、比較器和電流源組成的去飽和電路。從邏輯上講，三個二進制輸入信號“ctrl”、“VCE”和“HV desat”由狀態機處理。