專利名稱:柵極驅(qū)動(dòng)電路以及包括柵極驅(qū)動(dòng)電路的橋電路的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于施加電壓給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極的柵極驅(qū)動(dòng)電路。柵極驅(qū)動(dòng)電路包含提供用于操作半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器，耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器與半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻，與初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻，與各初級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管，以及與各次級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的次級(jí)晶體管。進(jìn)一步的，初級(jí)或次級(jí)晶體管中的一個(gè)從柵極驅(qū)動(dòng)控制器接收一個(gè)或多個(gè)電壓命令并經(jīng)由初級(jí)或次級(jí)柵極電阻中的一個(gè)提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備以控制半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通?關(guān)斷行為。
【專利說明】
柵極驅(qū)動(dòng)電路以及包括柵極驅(qū)動(dòng)電路的橋電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總的來說涉及用于半導(dǎo)體設(shè)備的柵極驅(qū)動(dòng)電路，更具體地說涉及用于半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極驅(qū)動(dòng)電路。
【背景技術(shù)】
[0002]例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的半導(dǎo)體設(shè)備可用在許多電氣系統(tǒng)中作為用于多種應(yīng)用的電子開關(guān)元件。例如，IGBT可用在電力變換器的橋電路中以將交流(AC)功率轉(zhuǎn)換為直流(DC)功率，反之亦然。IGBT在單個(gè)方向上傳輸電流，因此，IGBT經(jīng)常并聯(lián)耦合有“反并聯(lián)”或“續(xù)流二極管”以允許電流在反方向上流過。
[0003]IGBT通常包含三個(gè)端子，包括柵極、集電極和發(fā)射極。IGBT可通過使用柵極驅(qū)動(dòng)電路來控制柵極-發(fā)射極電壓而作為開關(guān)元件操作。例如，當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓超過IGBT的閾值電壓時(shí)，IGBT可導(dǎo)通從而使得電流能夠流經(jīng)IGBT的集電極和發(fā)射極。當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓小于IGBT的閾值電壓時(shí)，IGBT將關(guān)斷從而使得流經(jīng)集電極和發(fā)射極的電流受到限制。在IGBT的操作期間，快速導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT以減少關(guān)斷損耗是非常重要的。減小與IGBT相關(guān)的關(guān)斷柵極電阻能夠使得IGBT更快速地關(guān)斷。舉例來說，圖1示出了傳統(tǒng)的用于導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT 12的柵極驅(qū)動(dòng)電路10的方框圖。如圖所示，柵極驅(qū)動(dòng)電路10具有簡(jiǎn)單的0N/0FF配置用來經(jīng)由柵極驅(qū)動(dòng)控制器22控制IGBT 12。更具體地說，控制器22發(fā)送一個(gè)或多個(gè)電壓命令、即P15_0N或N9_0FF給場(chǎng)效應(yīng)晶體管14，16中的一個(gè)。晶體管14，16隨后通過電阻18，20中的一個(gè)發(fā)送相應(yīng)的電壓電平(即+15V或-9V)給IGBT 12。
[0004]在典型的IGBT關(guān)斷期間，來自柵極-集電極的寄生密勒電容與關(guān)斷柵極電阻共同工作以控制集電極-發(fā)射極電壓的電壓變化速率(dv/dt)。然而，典型的IGBT結(jié)構(gòu)具有將該速率限制在IGBT能夠關(guān)斷的速率的固有特性。更具體地說，如下文更詳細(xì)解釋的，當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓相對(duì)于IGBT的漂移區(qū)來說為負(fù)時(shí)，與柵極氧化層相鄰的漂移區(qū)趨于反型并變成分路(shunt)以用于供來自集電極的位移電荷經(jīng)該分路流至發(fā)射極。
[0005]例如，圖2描繪了可用在多種應(yīng)用中的多個(gè)示例IGBT結(jié)構(gòu)100。示例IGBT結(jié)構(gòu)100用來進(jìn)行說明和討論。如同所示，各IGBT結(jié)構(gòu)100包括柵極110、集電極120和發(fā)射極130。柵極氧化層150的位置鄰近柵極110。
[0006]各IGBT結(jié)構(gòu)100可包括漂移區(qū)135，當(dāng)其處于阻斷情況下時(shí)，電壓的大多數(shù)被積累。為了增大IGBT上的阻斷，位移電流可流至柵極110，除非柵極110變得相對(duì)于發(fā)射極130反向偏置，這時(shí)負(fù)的偏置將迫使相同極性的載體脫離漂移區(qū)135離開柵極氧化層150附近。隨后位移電流可使用形成至發(fā)射極130的溝道140，而不是使用柵極驅(qū)動(dòng)作為行至發(fā)射極130的方式。所形成的溝道140提供連接至鄰近發(fā)射極130的P+區(qū)域的路徑或“分路”。在柵極氧化層150附近的N-區(qū)域具有反型電荷能夠產(chǎn)生阻斷區(qū)，從而使得來自密勒電容的電流流入發(fā)射極130，而不是柵極150。
[0007]反型分路或溝道14O的出現(xiàn)能夠在關(guān)斷期間影響IGBT的密勒電容。例如，如果當(dāng)IGBT正在關(guān)斷并且集電極電流仍在流動(dòng)時(shí)反型分路140被允許存在，則IGBT的密勒電容的自然反饋可被分路。這可降低密勒電容對(duì)集電極-發(fā)射極電壓的電壓變化速率(dv/dt)的影響，從而允許IGBT在關(guān)斷期間潛在地具有集電極-發(fā)射極電壓的過電壓。
[0008]另外，IGBT的更快導(dǎo)通可能導(dǎo)致相位支路中另一IGBT的反向并聯(lián)續(xù)流二極管在該二極管的反向恢復(fù)期間發(fā)生“階躍”行為。該“階躍”行為(即，二極管中反向恢復(fù)電流的大變化率(di/dt))能導(dǎo)致由于電路中的寄生電感而產(chǎn)生的集電極-發(fā)射極電壓Vce尖峰。這進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)二極管造成損害并最終造成電路故障。
[0009]因此，需要一種改進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其能夠在半導(dǎo)體關(guān)斷期間提供對(duì)集電極-發(fā)射極電壓的電壓變化率(dv/dt)的改進(jìn)控制。更具體地說，在續(xù)流二極管經(jīng)歷二極管反向恢復(fù)的時(shí)間周期中對(duì)集電極-發(fā)射極電壓的電壓變化率進(jìn)行控制的柵極驅(qū)動(dòng)電路將是尤其有用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分進(jìn)行闡述，或者可從描述中顯而易見，或者可通過實(shí)踐本發(fā)明得知。
[0011]本公開的一個(gè)示例方面指向用于施加?xùn)艠O電壓給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極的柵極驅(qū)動(dòng)電路。柵極驅(qū)動(dòng)電路包含提供用于操作半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器，耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器與半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻，與各初級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管，以及與初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)晶體管。進(jìn)一步的，初級(jí)或次級(jí)晶體管中的一個(gè)從柵極驅(qū)動(dòng)控制器接收一個(gè)或多個(gè)電壓命令并提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備以控制半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)一步包括與初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻。在另一實(shí)施例中，至少一個(gè)次級(jí)晶體管與各次級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接。
[0013]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。從而，在特定的實(shí)施例中，IGBT可被配置為具有風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的橋電路。在另一實(shí)施例中，初級(jí)和次級(jí)晶體管為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在特定實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)一步包含與次級(jí)MOSFET串聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管。
[0014]在其它實(shí)施例中，電壓電平包括被配置為經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻導(dǎo)通半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的第一電壓，第一電壓大于半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的閾值電壓。在另一實(shí)施例中，電壓電平可包括被配置為經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的第二電壓，第二電壓小于閾值電壓。
[0015]在又一實(shí)施例中，在半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備關(guān)斷期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器可被配置為經(jīng)由第二次級(jí)柵極電阻給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極施加第一關(guān)斷周期的第三電壓，第三電壓小于第一電壓但大于第二電壓。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第四次級(jí)柵極電阻給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極施加第二關(guān)斷周期的第四電壓，第四電壓小于第三電壓但大于第二電壓。
[0016]在又一實(shí)施例中，在半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備導(dǎo)通期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第三次級(jí)柵極電阻給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極施加第一導(dǎo)通周期的第四電壓，第四電壓小于第三電壓但大于第二電壓。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)一步被配置為經(jīng)由第一次級(jí)柵極電阻給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極施加第二導(dǎo)通周期的第三電壓，第三電壓小于第一電壓但大于第二電壓。
[0017]在另一方面，本公開指向用在電力系統(tǒng)的電力變換器中的橋電路。橋電路包含具有柵極、集電極和發(fā)射極的第一絕緣柵雙極晶體管(IGBT )，與第一 IGBT串聯(lián)耦合的第二IGBT，與第一IGBT并聯(lián)耦合的二極管，以及被配置為施加電壓給第一IGBT的柵極的柵極驅(qū)動(dòng)電路。此外，柵極驅(qū)動(dòng)電路包括提供用于操作第一IGBT的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器，耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器與第一IGBT之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻，與初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻，與各初級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管，以及與各次級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的次級(jí)晶體管。此外，初級(jí)或次級(jí)晶體管中的一個(gè)從柵極驅(qū)動(dòng)控制器接收一個(gè)或多個(gè)電壓命令并經(jīng)由初級(jí)或次級(jí)柵極電阻中的一個(gè)提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備以控制半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。
[0018]在又一方面，本公開指向?qū)τ迷陲L(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的電力變換器中的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)的方法。該方法包括經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻施加第一電壓給IGBT的柵極以導(dǎo)通IGBT，第一電壓大于IGBT的閾值電壓。另一步驟包括接收關(guān)斷信號(hào)以關(guān)斷IGBT ο在IGBT關(guān)斷期間，該方法進(jìn)一步包括經(jīng)由多個(gè)次級(jí)柵極電阻施加接近閾值電壓的一個(gè)或多個(gè)中間電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT。該方法還包括在接收關(guān)斷信號(hào)之后經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻施加第二電壓給IGBT的柵極以關(guān)斷IGBT，第二電壓小于閾值電壓。接著，該方法還可包括接收導(dǎo)通信號(hào)以導(dǎo)通IGBT。這樣，在IGBT導(dǎo)通期間，該方法還可包括經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻以相反的順序施加一個(gè)或多個(gè)中間電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT。
[0019]本公開的示例包括:
[0020]示例1.用于施加?xùn)艠O電壓給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的柵極(212)的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，該柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)包括:
[0021]提供用于操作半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310);
[0022]耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)與半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻(312,314)；
[0023]與各初級(jí)柵極電阻(312，314)串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管(324，325);以及
[0024]與初級(jí)柵極電阻(312，314)并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)晶體管(326，327，328，329)，
[0025]其中初級(jí)或次級(jí)晶體管(324，325，326，327，328，329)中的一個(gè)從柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)接收一個(gè)或多個(gè)電壓命令并提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)以控制半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。
[0026]示例2.如示例I所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，進(jìn)一步包括與初級(jí)柵極電阻(312，314)并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻(315，316，317，318)。
[0027]示例3.如示例2所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中至少一個(gè)次級(jí)晶體管(315，316，317，318)與各次級(jí)柵極電阻(326，327，328，329)串聯(lián)連接。
[0028]示例4.如示例I所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
[0029]示例5.如示例4所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中IGBT被配置為具有風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的橋電路(200)。
[0030]示例6.如示例I所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中初級(jí)和次級(jí)晶體管(324，325，326，327，328，329)包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0031]示例7.如示例6所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，進(jìn)一步包括與次級(jí)M0SFET(324，325，326，327，328，329)串聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管(330，332，334，336)。
[0032]示例8.如示例I所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中對(duì)應(yīng)的電壓電平至少包括第一電壓和第二電壓，第一電壓被配置為經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻(312)導(dǎo)通半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)，第一電壓大于半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的閾值電壓，第二電壓被配置為經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻(314)關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)，第二電壓小于閾值電壓。
[0033]示例9.如示例8所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中在半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)關(guān)斷期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)進(jìn)一步被配置為經(jīng)由第二次級(jí)柵極電阻(316)給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的柵極施加第一關(guān)斷周期的第三電壓，第三電壓小于第一電壓但大于第二電壓。
[0034]示例10.如示例9所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第四次級(jí)柵極電阻(318)給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的柵極施加第二關(guān)斷周期的第四電壓，第四電壓小于第三電壓但大于第二電壓。
[0035]示例11.如示例10所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中在半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)導(dǎo)通期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第三次級(jí)柵極電阻(317)給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的柵極施加第一導(dǎo)通周期的第四電壓，第四電壓小于第三電壓但大于第二電壓。
[0036]示例12.如示例11所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)進(jìn)一步被配置為經(jīng)由第一次級(jí)柵極電阻(315)給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的柵極施加第二導(dǎo)通周期的第三電壓，第三電壓小于第一電壓但大于第二電壓。
[0037]示例13.—種用在電力系統(tǒng)的電力變換器中的橋電路(200)，該橋電路(200)包括:
[0038]具有柵極(212)、集電極(214)和發(fā)射極(216)的第一絕緣柵雙極晶體管(IGBT)(210);
[0039]與第一IGBT(210)串聯(lián)耦合的第二 IGBT(220);
[0040]與第一IGBT(210)并聯(lián)耦合的二極管(215);
[0041]被配置為施加電壓給第一IGBT(210)的柵極(212)的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)包括:
[0042]提供用于操作第一IGBT(210)的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310);
[0043]耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)與第一IGBT(210)之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻(312，314);
[0044]與初級(jí)柵極電阻(312，314)并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻(315，316，317，318);
[0045]與各初級(jí)柵極電阻(312，314)串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管(324，325);以及，
[0046]與各次級(jí)柵極電阻(315，316，317，318)串聯(lián)連接的次級(jí)晶體管(326，327，328，329)，
[0047]其中初級(jí)或次級(jí)晶體管(324，325，326，327，328，329)中的一個(gè)從柵極驅(qū)動(dòng)控制器(310)接收一個(gè)或多個(gè)電壓命令并經(jīng)由初級(jí)或次級(jí)柵極電阻(321，314，315，316，317，318)中的一個(gè)提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)以控制半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備(100)的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。
[0048]示例14.如示例13所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)，其中初級(jí)和次級(jí)晶體管(324，325，326，327，328，329)包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，其中柵極驅(qū)動(dòng)電路(300)進(jìn)一步包括與次級(jí)M0SFET( 324，325，326，327，328，329)串聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管(330，332，334，336)。
[0049]示例15.—種對(duì)用在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的電力變換器中的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) (210)進(jìn)行柵極驅(qū)動(dòng)的方法(900)，該方法(900)包括:
[0050]經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻(312)施加第一電壓給IGBT(210)的柵極(212)以導(dǎo)通IGBT(210)，第一電壓大于IGBT(210)的閾值電壓；
[0051 ]接收關(guān)斷信號(hào)以關(guān)斷IGBT(210);以及，
[0052]在接收關(guān)斷信號(hào)之后，經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻(314)施加第二電壓給IGBT(210)的柵極以關(guān)斷IGBT(210)，第二電壓小于閾值電壓；
[0053 ]其中在IGBT (210)關(guān)斷期間，該方法進(jìn)一步包括經(jīng)由多個(gè)次級(jí)柵極電阻(315，316，317，318)施加接近閾值電壓的一個(gè)或多個(gè)中間電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT(210)，以及
[0054]其中在IGBT(210)關(guān)斷期間，該方法進(jìn)一步包括經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻(315，316，317，318)以相反的順序施加一個(gè)或多個(gè)中間電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT
(210)。
[0055]可對(duì)本公開的這些示例方面進(jìn)行改變和更改。
[0056]參考下面的描述和所附權(quán)利要求將能夠更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。并入本說明書并構(gòu)成本說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
【附圖說明】

[0057]包括本發(fā)明的最佳模式、針對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員的本發(fā)明的完全和實(shí)現(xiàn)用的公開在該說明書中闡述，其參照附圖，其中:
[0058]圖1示出根據(jù)傳統(tǒng)構(gòu)造的柵極驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)實(shí)施例；
[0059]圖2示出示例IGBT結(jié)構(gòu)；
[0060]圖3不出根據(jù)本公開的橋電路的一個(gè)實(shí)施例；
[0061]圖4示出根據(jù)本公開的用于IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)實(shí)施例；
[0062]圖5示出根據(jù)本公開的柵極驅(qū)動(dòng)波形的一個(gè)實(shí)施例，柵極驅(qū)動(dòng)波形可在關(guān)斷模式期間被施加給柵極驅(qū)動(dòng)控制器；
[0063]圖6示出了根據(jù)本公開的柵極驅(qū)動(dòng)波形的一個(gè)實(shí)施例，柵極驅(qū)動(dòng)波形可在導(dǎo)通模式期間被施加給柵極驅(qū)動(dòng)控制器；
[0064]圖7和8示出了根據(jù)本公開一個(gè)實(shí)施例的用于IGBT的示例柵極驅(qū)動(dòng)電路的仿真結(jié)果；以及
[0065]圖9示出了用在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器中的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的門控方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0066]現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的實(shí)施例，其一個(gè)或多個(gè)示例在附圖中圖示。每個(gè)示例通過本發(fā)明的說明而非本發(fā)明的限制提供。實(shí)際上，各種修改和變化可以在本發(fā)明中做出而不偏離本發(fā)明的范圍或精神對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的。例如，圖示或描述為一個(gè)實(shí)施例的部分的特征可以與另一個(gè)實(shí)施例一起使用以產(chǎn)生又一實(shí)施例。因此，本發(fā)明意在涵蓋落入所附權(quán)利要求及其等同物范圍內(nèi)的此類修改和變化。
[0067]一般來說，本公開的示例方面針對(duì)用于驅(qū)動(dòng)如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的高性能柵極驅(qū)動(dòng)電路。更具體地說，在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本公開的方面的柵極驅(qū)動(dòng)電路包括提供用于操作IGBT的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器。該柵極驅(qū)動(dòng)電路還包括耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器和IGBT之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻以及與初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)可選次級(jí)柵極電阻。進(jìn)一步的，柵極驅(qū)動(dòng)電路包括與各初級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管以及與各次級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的次級(jí)晶體管。從而，初級(jí)或次級(jí)晶體管中的一個(gè)經(jīng)由初級(jí)或次級(jí)柵極電阻中的一個(gè)接收來自柵極驅(qū)動(dòng)控制器的電壓命令并提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給IGBT以對(duì)IGBT的導(dǎo)通-關(guān)斷行為進(jìn)行控制。
[0068]從而，本公開的柵極驅(qū)動(dòng)電路可以在IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通期間提供對(duì)集電極-發(fā)射極電壓的電壓變化率(dv/dt)和/或集電極電流變化率(di/dt)的改進(jìn)控制。其結(jié)果就是，通過使用柵極電阻的較低值，本公開的柵極驅(qū)動(dòng)電路具有更快的切換時(shí)間和減小的開關(guān)損耗。本公開參考驅(qū)動(dòng)IGBT進(jìn)行描述以用于論述和討論。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過使用本文所提供的公開可以理解，本公開的特定方面也可應(yīng)用于其它半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備。
[0069]根據(jù)本公開實(shí)施例的示例高性能柵極驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)⑹┘咏oIGBT柵極的柵極電壓控制到處于IGBT柵極“導(dǎo)通”電壓和柵極“關(guān)斷”電壓之間的一個(gè)或多個(gè)中間電壓。例如，只要IGBT的集電極電流不為零，就可以由柵極驅(qū)動(dòng)電路施加中間電壓電平。
[0070]根據(jù)本公開的特定方面，IGBT的柵極-發(fā)射極電壓在IGBT關(guān)斷和導(dǎo)通期間可以被控制為小信號(hào)方式。更具體地說，柵極-發(fā)射極電壓可以略小于閾值電壓，從而從經(jīng)過密勒電容的dv/dt產(chǎn)生的電流使得IGBT自身處的柵極電壓接近閾值電壓。當(dāng)在導(dǎo)通和/或關(guān)斷期間以小信號(hào)方式控制IGBT時(shí)，IGBT可以是用于與IGBT并聯(lián)耦合的續(xù)流二極管的有效緩沖電路，其在物理上非?？拷麵GBT。
[0071]現(xiàn)在將參考施加第一電壓、第二電壓、第三電壓和第四電壓給IGBT柵極來討論本公開的方面。術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的使用用于區(qū)分電壓電平，其并不用于表示施加給IGBT柵極的電壓的幅值或順序。
[0072]更具體地說，根據(jù)本公開示例實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極驅(qū)動(dòng)控制器被配置為施加高于IGBT閾值電壓的第一電壓至IGBT的柵極以導(dǎo)通IGBT和施加低于IGBT閾值電壓的第二電壓至IGBT的柵極以關(guān)斷IGBT。第二電壓可以是施加至IGBT柵極的所有電壓中最小的電壓。當(dāng)將第一電壓或第二電壓施加至IGBT的柵極時(shí)，IGBT以大信號(hào)方式工作，從而有效導(dǎo)致IGBT在施加第一電壓期間完全導(dǎo)通或在施加第二電壓期間完全關(guān)斷。
[0073]在IGBT關(guān)斷期間，可以以小信號(hào)方式對(duì)IGBT進(jìn)行控制，從而使得IGBT的柵極-發(fā)射極電壓接近閾值電壓。更具體地說，可以由柵極驅(qū)動(dòng)控制器施加第三電壓給IGBT的柵極以在第一關(guān)斷周期期間控制集電極-發(fā)射極電壓的dv/dt和集電極電流的di/dt。第三電壓可以是小于第一電壓且大于第二電壓的正電壓。
[0074]此外，在接著第一關(guān)斷周期的第二關(guān)斷周期期間可以將第四電壓施加至IGBT柵極。第四電壓可以小于第三電壓且大于第二電壓。第二關(guān)斷周期可對(duì)應(yīng)于與IGBT并聯(lián)耦合的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)周期。第四電壓可在反向恢復(fù)期間為二極管提供保護(hù)。例如，第四電壓可被施加以保護(hù)二極管不受由二極管“階躍”行為導(dǎo)致的瞬時(shí)反向電壓的損害?？梢詫⒌谒碾妷涸O(shè)定為允許集電極-發(fā)射極電壓的正常二極管dv/dt加上裕度，從而使得僅僅在“階躍”期間發(fā)生的高dv/dt受到IGBT中密勒電容的反饋環(huán)的限制。類似的，在IGBT導(dǎo)通期間，IGBT還可以小信號(hào)方式進(jìn)行控制，從而使得IGBT的柵極-發(fā)射極電壓接近閾值電壓。
[0075]現(xiàn)在參見圖3-9，現(xiàn)在將對(duì)本公開的示例實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。圖3示出了可用于例如風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的電力變換器中的橋電路200的示例。從而，在系統(tǒng)層面，本公開的橋電路能夠提供增大的變換器和/或系統(tǒng)效率和/或可靠性、增大的用于電力變換器和/或系統(tǒng)的電力輸出、和/或增大的IGBT結(jié)溫裕度。由此，本公開的橋/柵極驅(qū)動(dòng)電路能夠操作通過線電壓瞬態(tài)而不發(fā)生跳閘或故障，從而提供了更好的風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的穿越能力。
[0076]如圖所示，橋電路200包含第一IGBT 210(如“上” IGBT)和第二IGBT 220(如“下”IGBT)。第一IGBT 210可包括柵極212、集電極214和發(fā)射極216。類似的，第二IGBT 220可包括柵極222、集電極224和發(fā)射極226。第一續(xù)流二極管215可與第一IGBT 210并聯(lián)耦合。第二續(xù)流二極管225可與第二IGBT 220并聯(lián)耦合。第一續(xù)流二極管215和第二續(xù)流二極管225可在從導(dǎo)通狀態(tài)切換至阻斷狀態(tài)時(shí)呈現(xiàn)出反向恢復(fù)特性。更具體地說，當(dāng)從導(dǎo)通狀態(tài)切換至阻斷狀態(tài)時(shí)，大的電流可在反向方向上短時(shí)間流經(jīng)二極管直至反向恢復(fù)電荷耗盡。
[0077]橋電路200還可包括柵極驅(qū)動(dòng)電路300。柵極驅(qū)動(dòng)電路300可控制第一IGBT 210和第二IGBT 220的各自柵極的柵極-發(fā)射極電壓以控制第一IGBT 210和第二IGBT 220的切換。例如，柵極驅(qū)動(dòng)電路300可提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)命令給第一IGBT 210和第二IGBT220來將橋電路200的輸入230處的交流功率轉(zhuǎn)換為直流功率或者相反。
[0078]圖4描繪了根據(jù)本公開示例實(shí)施例的示例柵極驅(qū)動(dòng)電路300。將參考控制第一IGBT210柵極-發(fā)射極電壓來描述柵極驅(qū)動(dòng)電路300。柵極驅(qū)動(dòng)電路300可被配置為控制例如圖3所示第二IGBT 220的其它IGBT的柵極-發(fā)射極電壓。如圖所示，柵極驅(qū)動(dòng)電路300包括柵極驅(qū)動(dòng)控制器310，其被配置為經(jīng)由柵極電阻312，314，315，316，317，318中的一個(gè)提供一個(gè)或多個(gè)電壓命令給IGBT 210的柵極212以控制IGBT 210的操作。此外，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可包括一個(gè)或多個(gè)控制設(shè)備或電路，如一個(gè)或多個(gè)控制器、微處理器、邏輯設(shè)備、存儲(chǔ)器單元、微控制器或其它控制設(shè)備。此外，柵極驅(qū)動(dòng)電路310可從其它系統(tǒng)控制器接收命令(如PffM命令)或柵極信號(hào)，其它系統(tǒng)控制器例如是使用了柵極驅(qū)動(dòng)電路300的用于發(fā)電系統(tǒng)的控制器。
[0079]在一個(gè)示例實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可包括一個(gè)或多個(gè)處理器以及一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。該一個(gè)或多個(gè)處理器可被配置為執(zhí)行存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的計(jì)算機(jī)可讀指令來使得柵極驅(qū)動(dòng)控制器310執(zhí)行操作，如根據(jù)本公開的示例方面施加電壓電平給IGBT 210的柵極212。
[0080]更具體地說，如圖4中所示，柵極驅(qū)動(dòng)電路300可包括耦合在柵極驅(qū)動(dòng)控制器310與IGBT 210之間的多個(gè)初級(jí)晶體管324，325以及與各初級(jí)晶體管324，325串聯(lián)連接的多個(gè)初級(jí)柵極電阻312，314。另外，柵極驅(qū)動(dòng)電路300可包括與初級(jí)柵極電阻312，314并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)晶體管(如326，327，328，329)。從而，在特定實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)電路300還可以可選的包括與各次級(jí)晶體管326，327，328，329串聯(lián)連接并與初級(jí)柵極電阻312，314并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻315，316，317，318。
[0081 ] 應(yīng)當(dāng)明白，初級(jí)和次級(jí)晶體管324，325，326，327，328，329可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知的任意適合的晶體管。例如，在特定實(shí)施例中，晶體管324，325，326，327，328，329可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。從而，如圖所示，次級(jí)MOSFET 326，327，328，329中的每一個(gè)可包括與其串聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管330，332，334，336，這是因?yàn)镸OSFET 326，327，328，329通常在反向方向?qū)娏?。從而，初?jí)或次級(jí)晶體管324，325，326，327，328，329中的一個(gè)被配置為從柵極驅(qū)動(dòng)控制器310接收電壓命令(如V1_0N，V2_0FF，V3_0N，V3_OFF，V4_0N和V4_0FF)并經(jīng)由初級(jí)或次級(jí)柵極電阻312，314，315，316，317，318中的一個(gè)提供相應(yīng)的電壓電平給IGBT 210以控制IGBT 210的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。
[0082]根據(jù)本公開的特別方面，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可經(jīng)由初級(jí)或次級(jí)柵極電阻312，314，315，316，317，318提供四個(gè)不同的電壓電平給IGBT 210的柵極212。這四個(gè)不同的電壓電平對(duì)應(yīng)于IGBT 210的不同操作模式。例如，第一操作模式可以是IGBT 210的“IGBT 0N”操作模式。更具體地說，如圖4中所示，電壓電平之一可包括被配置為經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻312導(dǎo)通IGBT 210的第一電壓(如VI) <JGBT ON模式可對(duì)應(yīng)于當(dāng)IGBT 210導(dǎo)通從而電流流經(jīng)IGBT 210的集電極214和發(fā)射極216的時(shí)間周期。這樣，在IGBT ON模式期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可發(fā)送電壓命令(如V1_0N)給第一初級(jí)晶體管324，從而第一電壓Vl被以大信號(hào)的方式施加給IGBT 210的柵極212。第一電壓Vl可充分大于IGBT 210的閾值電壓，從而IGBT 210完全導(dǎo)通。例如，第一電壓Vl可以在約1V到約15V的范圍內(nèi)，例如為約15V。如此處所使用的，與特定值相關(guān)使用的術(shù)語“約”意在指在特定值的20%內(nèi)。
[0083]第二操作模式可以是IGBT210的“IGBT OFF”操作模式。更具體地說，如圖4中所示，電壓電平之一可包括被配置為經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻314關(guān)斷IGBT 210的第二電壓(如V2)0IGBT OFF模式可對(duì)應(yīng)于當(dāng)IGBT 210關(guān)斷從而流經(jīng)IGBT 210的集電極214和發(fā)射極216的電流受限的時(shí)間周期。在IGBT OFF模式期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可發(fā)送電壓命令(如V2_OFF)給第二初級(jí)晶體管325，從而第二電壓(如V2)被以大信號(hào)的方式施加給IGBT 210的柵極212。第二電壓V2可充分小于IGBT 210的閾值電壓，從而IGBT完全關(guān)斷。例如，第二電壓V2可以在約-2V到約-9V的范圍內(nèi)，例如為約-9V。
[0084]在IGBT 210的關(guān)斷期間(如從IGBT ON模式到IGBT OFF模式的過渡)，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可以通過控制IGBT 210的柵極-發(fā)射極電壓接近閾值電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT 210。更具體地說，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可以使IGBT 210在“IGBT關(guān)斷”模式工作第一關(guān)斷時(shí)間周期。例如，如圖4中所示，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可被配置為發(fā)送電壓命令(如V3_0FF)給第二次級(jí)晶體管327。第二次級(jí)晶體管327隨后可經(jīng)由第二次級(jí)柵極電阻316提供對(duì)應(yīng)的電壓電平V3給IGBT 210。第三電壓(如V3)可以是接近閾值電壓的電壓來以小信號(hào)的方式控制IGBT 210，例如是小于第一電壓并大于第二電壓的正電壓(如大于OV的電壓)。例如，第三電壓可以是在約OV到約8V的范圍內(nèi)，例如為約6V。柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可以使得IGBT 210工作在IGBT關(guān)斷模式，此時(shí)非零集電極電流Ic流經(jīng)IGBT 210的集電極214以在關(guān)斷期間降低集電極-發(fā)射極電壓Vce的dv/dt。dv/dt的降低可限制集電極-發(fā)射極電壓Vce中的電壓峰值。
[0085]在第一關(guān)斷周期之后，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可過渡為使得IGBT210在“二極管恢復(fù)”模式工作第二關(guān)斷時(shí)間周期。二極管恢復(fù)模式可對(duì)應(yīng)于與IGBT 210(圖3)并聯(lián)耦合的續(xù)流二極管215的二極管反向恢復(fù)時(shí)間周期。在二極管恢復(fù)模式期間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可被配置為發(fā)送電壓命令(如V4_0FF)給第四次級(jí)晶體管329。第四次級(jí)晶體管329隨后可經(jīng)由第四次級(jí)柵極電阻318提供相應(yīng)的電壓電平(如V4)給IGBT210。第四電壓可以是接近IGBT210閾值電壓的電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT 210，如小于第三電壓并大于第二電壓的正電壓(如大于OV的電壓)。例如，第四電壓可以是在約IV到約5V的范圍內(nèi)，例如約為IV。第四電壓可被施加足夠續(xù)流二極管215耗盡其反向恢復(fù)電荷的時(shí)間，當(dāng)續(xù)流二極管215耗盡其反向恢復(fù)電荷時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可施加第二電壓以使得IGBT 210工作在IGBT OFF模式。
[0086]在IGBT 210的導(dǎo)通期間(如從IGBT OFF模式到IGBT ON模式的過渡)，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310也可通過控制IGBT 210的柵極-發(fā)射極電壓接近閾值電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT 210。更具體地說，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可例如通過連續(xù)發(fā)送一個(gè)或多個(gè)中間電壓命令(如V4_0N和V3_0N)給第三次級(jí)晶體管328并隨后給第一次級(jí)晶體管326來使得IGBT 210工作在“IGBT導(dǎo)通”模式。例如，作為第一步，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可提供電壓命令(如V4_0N)給第三次級(jí)晶體管328。第三次級(jí)晶體管328隨后可經(jīng)由第三次級(jí)柵極電阻317提供相應(yīng)的電壓電平(如V4)給IGBT 210。如同所述，電壓V4可以接近閾值電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT210，例如是小于第三電壓并大于第二電壓的正電壓。例如，如同所述，電壓V4可以是在約IV到約5V的范圍內(nèi)，例如約為IV。其次，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可提供另一電壓命令(如V3_0N)給第一次級(jí)晶體管326。第一次級(jí)晶體管326隨后可經(jīng)由第一次級(jí)柵極電阻315提供相應(yīng)的電壓電平(如V3)給IGBT 210。圖6示出了在IGBT ON模式期間IGBT 210的柵極-發(fā)射極電壓(Vge ) 510和對(duì)應(yīng)的集電極-發(fā)射極電壓(Vce ) 5 20的一個(gè)實(shí)施例。
[0087]圖5描繪了在IGBT210的關(guān)斷期間由柵極驅(qū)動(dòng)控制器310施加的電壓波形410的圖示。波形410表示由柵極驅(qū)動(dòng)控制器310施加給IGBT 210的柵極212的電壓。如圖所示，從時(shí)刻to到時(shí)刻，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可施加第一電壓(如VI)以使IGBT 210工作在IGBT ON模式。在時(shí)刻t3之后柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可施加第二電壓(如V2)以使IGBT 210工作在IGBTOFF模式。在IGBT ON模式和IGBT OFF模式之間，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可施加第三電壓(如V3)給IGBT 210的柵極212以使IGBT 210在從時(shí)刻^到時(shí)刻丨2的第一關(guān)斷周期工作在IGBT關(guān)斷模式。在第一關(guān)斷周期之后，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可施加第四電壓(如V4)給IGBT 210的柵極212以使IGBT 210在時(shí)刻t2到時(shí)刻t3的第二關(guān)斷周期工作在二極管恢復(fù)模式。
[0088]圖5進(jìn)一步描繪了根據(jù)波形410驅(qū)動(dòng)IGBT210而導(dǎo)致的集電極-發(fā)射極電壓(Vce)的兩種情況。波形420代表對(duì)于在IGBT 210中流動(dòng)的電流(正向集電極電流Ic)的Vce。波形430代表對(duì)于在并聯(lián)耦合IGBT 210的續(xù)流二極管215中流動(dòng)的電流(反向集電極電流I c)的Vce。從對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)斷模式的第一關(guān)斷周期到對(duì)應(yīng)二極管恢復(fù)模式的第二關(guān)斷周期的轉(zhuǎn)換發(fā)生在轉(zhuǎn)換時(shí)刻t2。轉(zhuǎn)換時(shí)刻t2可對(duì)應(yīng)于開始發(fā)生二極管反向恢復(fù)的時(shí)刻。例如，在圖3描繪的示例橋電路200中，當(dāng)橋電路200中的另一IGBT導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)刻^將發(fā)生。例如，如果續(xù)流二極管215正在導(dǎo)通，則當(dāng)?shù)诙蘒GBT 220導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)刻丨2將發(fā)生。如果續(xù)流二極管225正在導(dǎo)通，則當(dāng)?shù)谝籌GBT 210導(dǎo)通時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)刻t2將發(fā)生。
[0089]在一個(gè)示例實(shí)施例中，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可被配置為在預(yù)定時(shí)刻從第一關(guān)斷周期轉(zhuǎn)換為第二關(guān)斷周期。更具體地說，IGBT關(guān)斷模式的周期時(shí)長(zhǎng)可以是基于IGBT 210的最長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間確定的固定值。轉(zhuǎn)換時(shí)刻t2可以是基于IGBT關(guān)斷模式周期時(shí)長(zhǎng)的預(yù)定值。二極管恢復(fù)模式的周期時(shí)長(zhǎng)也可以是基于并聯(lián)耦合IGBT 210的續(xù)流二極管215的反向恢復(fù)的最長(zhǎng)周期確定的固定值。
[0090]在其它示例實(shí)施例中，對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)斷模式的第一關(guān)斷周期的時(shí)長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)二極管恢復(fù)模式的第二關(guān)斷周期的時(shí)長(zhǎng)可基于監(jiān)測(cè)到的系統(tǒng)參數(shù)來確定。例如，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可被配置為至少部分基于指示橋電路200中另一IGBT 220正被導(dǎo)通的信號(hào)來從第一關(guān)斷周期轉(zhuǎn)換為第二關(guān)斷周期。
[0091]作為另一示例，第一關(guān)斷周期的時(shí)長(zhǎng)和第二關(guān)斷周期的時(shí)長(zhǎng)可由柵極驅(qū)動(dòng)控制器310至少部分地基于IGBT 210的集電極電流Ic來進(jìn)行控制。例如，柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可使用適合的電流傳感器來監(jiān)測(cè)集電極電流Ic。柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可被配置為施加第三電壓特定的時(shí)間周期，而集電極電流I。不為零。柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可被配置為至少部分基于集電極電流I。的方向(如集電極電流是正的還是負(fù)的)來從第一關(guān)斷周期轉(zhuǎn)換為第二關(guān)斷周期。柵極驅(qū)動(dòng)控制器310可基于例如溫度、集電極電流、DC母線電壓、集電極電流的di/dt、集電極-發(fā)射極電壓的dv/dt和其它適合實(shí)施方式的其它適合的監(jiān)測(cè)參數(shù)來控制IGBT 210的柵極-發(fā)射極電壓。
[0092]在又一示例中，第三電壓和第四電壓間的轉(zhuǎn)換可至少部分由于由IGBT210的關(guān)斷dv/dt完成所導(dǎo)致的密勒穩(wěn)態(tài)(plateau)電流終止而發(fā)生。更具體地說，在IGBT 210關(guān)斷期間。更具體地說，可在施加第三電壓的晶體管關(guān)斷期間引出由IGBT 210的dv/dt導(dǎo)致的密勒穩(wěn)態(tài)電流。當(dāng)IGBT 210的dv/dt完成時(shí)，密勒穩(wěn)態(tài)電壓不再能夠饋電給IGBT 210的柵極，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換到第四電壓。在密勒穩(wěn)態(tài)電壓能夠在柵極閾值電壓附近接收和輸出電流時(shí)，其能夠用于產(chǎn)生第三或第四電壓。
[0093]圖7和8描繪了根據(jù)本公開一實(shí)施例的用于IGBT的示例柵極驅(qū)動(dòng)電路的仿真結(jié)果。波形610描繪了由示例柵極驅(qū)動(dòng)控制器施加給IGBT柵極的電壓。如圖所示，柵極驅(qū)動(dòng)控制器可在IGBT導(dǎo)通時(shí)施加約15V的電壓，為第一關(guān)斷周期施加約6V的電壓，為第二關(guān)斷周期施加約IV的電壓，以及在IGBT關(guān)斷時(shí)施加約-9V的電壓。
[0094]圖7的波形620描繪了與關(guān)斷期間正向流動(dòng)的集電極電流(如IGBT中的電流)相關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓VCE。圖7的波形630描繪了對(duì)于正向流動(dòng)的集電極電流的集電極電流Ic。圖8的波形640描繪了與關(guān)斷期間反向流動(dòng)的集電極電流(如續(xù)流二極管中的電流)相關(guān)的集電極-發(fā)射極電壓VCE。圖8的波形650描繪了對(duì)于反向流動(dòng)的集電極電流的集電極電流Ic。如同所述，當(dāng)集電極電流達(dá)到約零時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)控制器從施加6V的第一關(guān)斷周期轉(zhuǎn)換為施加IV以用于二極管反向恢復(fù)的第二關(guān)斷周期。集電極-發(fā)射極電壓呈現(xiàn)出良好的dv/dt特性，并且沒有顯著的過電壓情形。集電極電流Ic在第一和第二關(guān)斷周期期間呈現(xiàn)出良好的di/dt特性。
[0095]現(xiàn)在參見圖9，示出了用在風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器中的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)方法900的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。如在902處所示，方法900包括經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻施加第一電壓給IGBT的柵極以導(dǎo)通IGBT，第一電壓大于IGBT的閾值電壓。在904處，方法900包括接收關(guān)斷信號(hào)以關(guān)斷IGBT。在IGBT關(guān)斷期間，方法900進(jìn)一步包括經(jīng)由多個(gè)次級(jí)柵極電阻施加接近閾值電壓的一個(gè)或多個(gè)中間電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT (步驟906)。在908處，方法900還包括經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻施加第二電壓給IGBT的柵極以關(guān)斷IGBT，第二電壓小于閾值電壓。隨后，方法900還可包括接收導(dǎo)通信號(hào)以導(dǎo)通IGBT(步驟910)。從而，在IGBT導(dǎo)通期間，方法900還可包括經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻以相反順序施加該一個(gè)或多個(gè)中間電壓來以小信號(hào)方式控制IGBT(步驟912)。
[0096]本書面描述使用示例來公開本發(fā)明(包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求書來定義，并且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它示例。如果這類其它示例包括與權(quán)利要求書的文字語言完全相同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求書的文字語言沒有實(shí)質(zhì)差異的等效結(jié)構(gòu)元件，則它們意在落入權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
[0097]附圖標(biāo)記部件
[0098]10柵極驅(qū)動(dòng)電路
[0099]12IGBT
[0100]14場(chǎng)效應(yīng)晶體管[0101 ] 16場(chǎng)效應(yīng)晶體管
[0102]18柵極電阻
[0103]20柵極電阻
[0104]22柵極驅(qū)動(dòng)控制器
[0105]100IGBT 結(jié)構(gòu)
[0106]HO柵極
[0107]120集電極
[0108]130發(fā)射極
[0109]135漂移區(qū)
[0110]140溝道
[0111]150柵極氧化層
[0112]200橋電路
[0113]210第一 IGBT
[0114]212柵極
[0115]214集電極
[0116]215第一續(xù)流二極管
[0117]216發(fā)射極
[0118]220第二 IGBT
[0119]222柵極
[0120]224集電極
[0121]225第二續(xù)流二極管
[0122]226發(fā)射極
[0123]230輸入
[0124]300柵極驅(qū)動(dòng)電路
[0125]310柵極驅(qū)動(dòng)控制器
[0126]312第一初級(jí)柵極電阻
[0127]314第二初級(jí)柵極電阻
[0128]315第一次級(jí)柵極電阻
[0129]316第二次級(jí)柵極電阻
[0130]317第三次級(jí)柵極電阻
[0131]318第四次級(jí)柵極電阻
[0132]320無源反饋網(wǎng)絡(luò)
[0133]321體二極管
[0134]322電壓命令
[0135]324第一初級(jí)柵極晶體管
[0136]325第二初級(jí)柵極晶體管
[0137]326第一次級(jí)柵極晶體管
[0138]327第二次級(jí)柵極晶體管
[0139]328第三次級(jí)柵極晶體管
[0140]329第四次級(jí)柵極晶體管
[0141]330二極管
[0142]332二極管
[0143]334二極管
[0144]336二極管
[0145]410電壓波形
[0146]420波形
[0147]430波形
[0148]510電壓波形
[0149]520波形
[0150]610波形
[0151]620波形
[0152]630波形
[0153]640波形
[0154]650波形
[0155]900方法
[0156]902方法步驟
[0157]904方法步驟
[0158]906方法步驟
[0159]908方法步驟
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于施加?xùn)艠O電壓給半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的柵極的柵極驅(qū)動(dòng)電路，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路包括: 提供用于操作所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器； 耦合在所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器與所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻； 與各個(gè)所述初級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管；以及 與所述初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)晶體管， 其中所述初級(jí)或次級(jí)晶體管中的一個(gè)從所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器接收所述一個(gè)或多個(gè)電壓命令并提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備以控制所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。2.如權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步包括與所述初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻。3.如權(quán)利要求2所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中至少一個(gè)次級(jí)晶體管與各個(gè)所述次級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接。4.如權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。5.如權(quán)利要求4所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中所述IGBT被配置為具有風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器的橋電路。6.如權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中所述初級(jí)和次級(jí)晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。7.如權(quán)利要求6所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步包括與次級(jí)MOSFET串聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管。8.如權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中對(duì)應(yīng)的電壓電平至少包括第一電壓和第二電壓，所述第一電壓被配置為經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻導(dǎo)通所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，所述第一電壓大于所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的閾值電壓，所述第二電壓被配置為經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻關(guān)斷所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，所述第二電壓小于所述閾值電壓。9.如權(quán)利要求8所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中在所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的關(guān)斷期間，所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)一步被配置為經(jīng)由第二次級(jí)柵極電阻給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的所述柵極施加第一關(guān)斷周期的第三電壓，所述第三電壓小于所述第一電壓但大于所述第二電壓。10.如權(quán)利要求9所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第四次級(jí)柵極電阻給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的所述柵極施加第二關(guān)斷周期的第四電壓，所述第四電壓小于所述第三電壓但大于所述第二電壓。11.如權(quán)利要求10所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中在所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備導(dǎo)通期間，所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第三次級(jí)柵極電阻給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的所述柵極施加第一導(dǎo)通周期的第四電壓，所述第四電壓小于所述第三電壓但大于所述第二電壓。12.如權(quán)利要求11所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)一步被配置為經(jīng)由第一次級(jí)柵極電阻給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的所述柵極施加第二導(dǎo)通周期的所述第三電壓，所述第三電壓小于所述第一電壓但大于所述第二電壓。13.—種用在電力系統(tǒng)的電力變換器中的橋電路，所述橋電路包括: 具有柵極、集電極和發(fā)射極的第一絕緣柵雙極晶體管(IGBT); 與所述第一 IGBT串聯(lián)耦合的第二 IGBT; 與所述第一 IGBT并聯(lián)耦合的二極管； 被配置為施加電壓給所述第一 IGBT的所述柵極的柵極驅(qū)動(dòng)電路，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路包括: 提供用于操作所述第一 IGBT的一個(gè)或多個(gè)電壓命令的柵極驅(qū)動(dòng)控制器； 耦合在所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器與所述第一 IGBT之間的多個(gè)初級(jí)柵極電阻； 與初級(jí)柵極電阻并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)柵極電阻； 與各個(gè)所述初級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的初級(jí)晶體管；以及， 與各個(gè)所述次級(jí)柵極電阻串聯(lián)連接的次級(jí)晶體管， 其中所述初級(jí)或次級(jí)晶體管中的一個(gè)從所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器接收所述一個(gè)或多個(gè)電壓命令并經(jīng)由所述初級(jí)或次級(jí)柵極電阻中的一個(gè)提供一個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的電壓電平給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備以控制所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通-關(guān)斷行為。14.如權(quán)利要求13所述的橋電路，其中所述初級(jí)和次級(jí)晶體管包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。15.如權(quán)利要求14所述的橋電路，進(jìn)一步包括與所述次級(jí)MOSFET串聯(lián)連接的至少一個(gè)二極管。16.如權(quán)利要求13所述的橋電路，其中所述對(duì)應(yīng)的電壓電平至少包括第一電壓和第二電壓，所述第一電壓被配置為經(jīng)由第一初級(jí)柵極電阻導(dǎo)通所述第一 IGBT，所述第一電壓大于所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的閾值電壓，所述第二電壓被配置為經(jīng)由第二初級(jí)柵極電阻關(guān)斷所述第一 IGBT，所述第二電壓小于所述閾值電壓。17.如權(quán)利要求16所述的橋電路，其中在所述第一IGBT關(guān)斷期間，所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)一步被配置為經(jīng)由第二次級(jí)柵極電阻給所述第一 IGBT的所述柵極施加第一關(guān)斷周期的第三電壓，所述第三電壓小于所述第一電壓但大于所述第二電壓。18.如權(quán)利要求17所述的橋電路，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第四次級(jí)柵極電阻給所述第一 IGBT的所述柵極施加第二關(guān)斷周期的第四電壓，所述第四電壓小于所述第三電壓但大于所述第二電壓。19.如權(quán)利要求18所述的橋電路，其中在所述第一IGBT導(dǎo)通期間，所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第三次級(jí)柵極電阻給所述第一 IGBT的所述柵極施加第一導(dǎo)通周期的第四電壓，所述第四電壓小于所述第三電壓但大于所述第二電壓，并且其中所述柵極驅(qū)動(dòng)控制器被進(jìn)一步配置為經(jīng)由第一次級(jí)柵極電阻給所述半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的所述柵極施加第二導(dǎo)通周期的第三電壓，所述第三電壓小于所述第一電壓但大于所述第二電壓。
【文檔編號(hào)】H02M1/08GK205725436SQ201521145542
【公開日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月18日
【發(fā)明人】R·G·瓦戈納, T·D·格倫利夫
【申請(qǐng)人】通用電氣公司