專利名稱:用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路。所述柵極驅(qū)動器電路包括耦合至所述功率開關(guān)的電阻器網(wǎng)絡(luò)。所述電阻器網(wǎng)絡(luò)包括多個電阻器。所述柵極驅(qū)動器電路進一步包括操作地耦合至所述電阻器網(wǎng)絡(luò)的控制單元。所述控制單元被配置為控制所述電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粻顟B(tài)時，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)在延遲階段、換向階段和飽和階段中的至少兩個中提供不同的電阻值。
【專利說明】
用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本說明書的實施例涉及半導(dǎo)體功率開關(guān)，并且更具體地涉及用于控制半導(dǎo)體功率 開關(guān)的切換的柵極驅(qū)動器電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 諸如絕緣柵雙極晶體管（IGBT)、反向?qū)щ奍GBT、雙模式絕緣柵晶體管(BiGT)、金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)等等的功率開關(guān)已經(jīng)被用在需要使用高功率、高電壓 或高電流的應(yīng)用中。這樣的應(yīng)用中的一些示例包括但不限于諸如逆變器、整流器、斬波器和 直流(DC)-DC轉(zhuǎn)換器的功率轉(zhuǎn)換器。在這些應(yīng)用中，在其中采用的功率開關(guān)的切換定時在功 率轉(zhuǎn)換器的性能方面起著重要作用。
[0003] 諸如IGBT模塊的功率開關(guān)模塊通常包括與絕緣柵雙極晶體管（IGBT)反并聯(lián)耦合 的續(xù)流二極管。此外，將IGBT轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)包括三個階段，諸如延遲階段、換向階段和飽 和階段。因此，IGBT的"接通"時間是延遲階段、換向階段和飽和階段持續(xù)時間的總和。
[0004] 如將意識到的，例如，柵極驅(qū)動器電路有助于控制用在可以在逆變器電路中依次 采用的功率開關(guān)模塊中的功率開關(guān)的切換。逆變器電路中使用的功率開關(guān)可以包括IGBT。 柵極驅(qū)動器電路通常被采用以控制IGBT的柵極電壓，用于控制逆變器電路中IGBT的切換。
[0005] 在操作中，柵極驅(qū)動器電路通過電阻器(下文中稱為柵極電阻器)將柵極電壓供給 至IGBT的柵極端子。通常，柵極電阻器的值是固定值。例如，柵極電阻器可以被選擇以使 IGBT在最壞情況的條件下令人滿意地執(zhí)行。更具體地，柵極電阻器的值通常被選擇以使 IGBT中的續(xù)流二極管被保護，以免受到換向階段中誘發(fā)的應(yīng)力。因此，柵極電阻器的這樣 的值有助于維持流過續(xù)流二極管的電流的更低轉(zhuǎn)換速率，并由此保護續(xù)流二極管。然而，這 樣的固定配置的柵極電阻器的使用由于長延遲時間和高切換損耗還導(dǎo)致降低延遲階段和 飽和階段中的IGBT的性能。此外，IGBT在延遲階段和飽和階段中的這樣的降低的性能妨礙 其中要求高速切換的應(yīng)用中的柵驅(qū)動電路的可操作性。因為更快的切換時間是針對更高效 率的許多應(yīng)用中的因素，所以工業(yè)要求不遭受提到的不足的柵極驅(qū)動器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本說明書的方面，公開了用于功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路。所述柵極驅(qū)動器 電路包括耦合至所述功率開關(guān)的電阻器網(wǎng)絡(luò)。所述電阻器網(wǎng)絡(luò)包括多個電阻器。所述柵極 驅(qū)動器電路進一步包括操作地耦合至所述電阻器網(wǎng)絡(luò)的控制單元。所述控制單元被配置為 控制所述電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粻顟B(tài)時，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)在延遲 階段、換向階段和飽和階段中的至少兩個中提供不同的電阻值。
[0007] 較佳地，所述第一狀態(tài)是接通狀態(tài)。
[0008] 較佳地，所述功率開關(guān)被設(shè)置在逆變器電路中。
[0009] 較佳地，所述功率開關(guān)包括絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管、雙模 式絕緣柵晶體管、以及金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中的至少一個。
[0010] 較佳地，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)耦合至所述功率開關(guān)的柵極端子。
[0011] 較佳地，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)進一步包括耦合至所述多個電阻器的多個開關(guān)。
[0012] 較佳地，所述控制單元操作地耦合至所述多個開關(guān)并且被配置為基于所述延遲階 段、所述換向階段或所述飽和階段的發(fā)生來選擇性地將所述多個開關(guān)中的一個或多個在接 通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。
[0013] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為控制所述電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述延遲階 段或所述飽和階段中由所述電阻器網(wǎng)絡(luò)提供的電阻值有助于最小化所述延遲階段或所述 飽和階段的持續(xù)時間。
[0014] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為控制所述電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述延遲階 段或所述飽和階段中由所述電阻器網(wǎng)絡(luò)提供的電阻值比在所述換向階段中由所述電阻器 網(wǎng)絡(luò)提供的電阻值更小。
[0015] 較佳地，所述功率開關(guān)包括耦合在所述功率開關(guān)的集電極端子和發(fā)射極端子之間 的續(xù)流二極管。
[0016] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為基于所述功率開關(guān)的身份和與所述延遲階 段、所述換向階段和所述飽和階段的開始關(guān)聯(lián)的對應(yīng)時間戳來檢測所述換向階段和所述飽 和階段的發(fā)生。
[0017] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為獲取對應(yīng)于與所述延遲階段、所述換向階 段和所述飽和階段的開始相關(guān)聯(lián)的時間戳的值，以及從查找表獲取對應(yīng)于所述時間戳的電 阻值。
[0018] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為基于流過所述功率開關(guān)的電流的導(dǎo)數(shù)來檢 測所述換向階段和所述飽和階段的發(fā)生。
[0019] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為監(jiān)測所述功率開關(guān)的開爾文端子和功率端 子之間的電壓，并且其中所述功率開關(guān)的所述開爾文端子和所述功率端子之間的所述電壓 指示流過所述功率開關(guān)的電流的導(dǎo)數(shù)。
[0020] 較佳地，所述控制單元進一步被配置為監(jiān)測所述功率開關(guān)的柵極電壓和集電極至 發(fā)射極電壓中的至少一個以檢測所述換向階段和所述飽和階段的發(fā)生。
[0021] 根據(jù)本說明書的另一個方面，公開了用于驅(qū)動功率開關(guān)的方法。所述方法包括確 定在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時延遲階段、換向階段和飽和階段的發(fā)生。所述方法 進一步包括耦合至所述功率開關(guān)的電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài) 時，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)在所述延遲階段、所述換向階段和所述飽和階段中的至少兩個中提供 不同的電阻值，其中所述電阻器網(wǎng)絡(luò)包括多個電阻器。
[0022] 根據(jù)本說明書的又一個方面，公開了用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路。所述 柵極驅(qū)動器電路包括耦合至所述功率開關(guān)的可變電流源。所述可變電流源被配置為將驅(qū) 動強度供給至所述功率開關(guān)。此外，所述柵極驅(qū)動器電路包括操作地耦合至所述可變電流 源的控制單元。所述控制單元被配置為控制所述可變電流源，以使在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變 為接通狀態(tài)時，在延遲階段、換向階段和飽和階段中的至少兩個中供給不同驅(qū)動強度。
[0023] 較佳地，所述功率開關(guān)包括絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管、雙模 式絕緣柵晶體管、以及金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)中的至少一個。
[0024] 較佳地，所述驅(qū)動強度包括供給至所述絕緣柵雙極晶體管、所述反向?qū)щ娊^緣柵 雙極晶體管、所述雙模式絕緣柵晶體管、以及所述金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中的至 少一個的相應(yīng)的柵極端子的柵電流。
【附圖說明】

[0025]在參考附圖來閱讀下面的【具體實施方式】時，本說明書的這些和其它特征、方面和 優(yōu)點會變得更好理解，其中在整個附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分，其中：
[0026]圖1是常規(guī)逆變器電路的示意圖；
[0027] 圖2是在功率開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時用在圖1的逆變器電路中的功率開關(guān)的各種 參數(shù)的時間響應(yīng)的圖解說明；
[0028] 圖3是采用根據(jù)本說明書的方面的示范柵極驅(qū)動器電路的逆變器電路的示意圖；
[0029] 圖4是采用根據(jù)本說明書的方面的柵極驅(qū)動器電路的另一個實施例的示意圖；
[0030] 圖5是根據(jù)本說明書的方面的開環(huán)控制模式中的功率開關(guān)的各種參數(shù)的時間響應(yīng) 的圖解說明；
[0031] 圖6是根據(jù)本說明書的方面的閉環(huán)控制模式中的功率開關(guān)的各種參數(shù)的時間響應(yīng) 的圖解說明；
[0032] 圖7是根據(jù)本說明書的方面的柵極驅(qū)動器電路的又一個實施例的示意圖；
[0033] 圖8描繪了根據(jù)本說明書的方面的用于驅(qū)動功率開關(guān)的示例方法的流程圖；以及 [0034]圖9A和9B描繪了根據(jù)本說明書的方面的圖8的方法的具體流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 參考本文中闡述的具體附圖和描述，本說明書可以被最好地理解。下文中參考附 圖描述各種實施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員會輕易地意識到本文中參考這些附圖而給出的
【具體實施方式】僅僅為了解釋的目的，因為方法和系統(tǒng)擴展到描述的實施例之外。
[0036] 在下面的說明書和權(quán)利要求中，單數(shù)形式"一"和"所述"包括復(fù)數(shù)的事物，除非上 下文另外清楚指出。如本文中使用的，詞語"或者"并不意味著是排它的，而是除非文本另外 清晰指出，否則指的是存在的參考部件中的至少一個，并且包括其中參考部件的組合可以 存在的實例。
[0037] 如本文中使用的，術(shù)語"可以"和"可以是"指示一組情況內(nèi)的發(fā)生;擁有特定性能、 特征或功能的可能性;和/或通過表達與限定動詞相關(guān)聯(lián)的能力、性能或可能性中的一個或 多個來限定另一個動詞。因此，"可能"和"可能是"的使用指示修改的術(shù)語明顯適合、能夠或 適用于指示的能力、功能或使用，同時考慮到在一些情況下，修改的術(shù)語有時可能不是適 合、能夠或適用的。
[0038] 圖1是常規(guī)逆變器電路100的示意圖。逆變器電路100包括直流(DC)電壓源102和諸 如IGBT模塊124、126、128和130的一個或多個功率開關(guān)模塊的布置。下文中，IGBT模塊124、 126、128和130被總稱為IGBT模塊124-130 dGBT模塊124-130可以分別包括IGBT 104、106、 108和110。下文中，IGBT 104、106、108和110被總稱為IGBT 104-110。此外，在一些實施例 中，IGBT模塊124-130還可以包括反并聯(lián)耦合在IGBT 104、106、108和110的相應(yīng)的集電極 端子和發(fā)射極端子之間的續(xù)流二極管114、116、118和120,如圖1中描繪的。
[0039] DC電壓源102可以包括電池、DC-DC功率源或能夠供給DC電壓的任意其它能量源。 DC電壓源102可以供給多于一個電壓電平。通過示例，來自DC電壓源102的輸出電壓電平可 以包括-15伏特和+15伏特的柵供給電壓以及柵極驅(qū)動器單元112的偏置電壓。
[0040] IGBT模塊124-130耦合至DC鏈路。來自DC鏈路的電壓被用于操作IGBT模塊ΜΑ-? 30 。 如圖 1 中 示出的 ，逆變器電路 100 、 IGBT 模塊 124-130 被示出為 以標(biāo)準(zhǔn) Η 橋接配置耦合 。更 具體地，IGBT 104和108的集電極端子耦合至DC鏈路的正端子。此外，如圖1中描繪的，IGBT 106和110的發(fā)射極端子耦合至DC鏈路的負端子。然而，IGBT 106和110的發(fā)射極端子可以接 地。此外，IGBT 104的發(fā)射極端子可以電地耦合至IGBT 110的集電極端子。類似地，IGBT 108的發(fā)射極端子可以電地耦合至IGBT 116的集電極端子。
[0041 ] 逆變器電路110通常耦合至負載132。更具體地，負載132耦合在IGBT 104和108的 發(fā)射極端子之間。負載132可以表示任何電氣設(shè)備，例如，家庭或工業(yè)電氣裝置。
[0042] 此外，逆變器電路100可以包括一個或多個柵極驅(qū)動器單元，諸如通過柵極電阻器 122耦合至IGBT 108的柵極端子的柵極驅(qū)動器單元112。通常，柵極驅(qū)動器單元112被配置為 控制IGBT 108的柵極電壓(Vg)以控制IGBT 108在接通和斷開狀態(tài)之間的切換。
[0043]通常，在IGBT的集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的值變?yōu)榛旧系扔贗GBT的正向電壓降 的值時，IGBT被叫作處于"第一狀態(tài)"、"接通狀態(tài)"或"接通"，并且對應(yīng)的續(xù)流二極管不導(dǎo) 電。通常，IGBT的正向電壓降的值為幾百毫伏至幾伏的數(shù)量級。此外，在IGBT的集電極至發(fā) 射極電壓(VeE)的值基本上接近DC鏈路電壓時，IGBT被叫作處于"第二狀態(tài)"、"斷開狀態(tài)"或 "斷開"，并且對應(yīng)的續(xù)流二極管不導(dǎo)電。此外，術(shù)語"接通時間"被用來指將IGBT從斷開狀態(tài) 轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)所占用的時間。類似地，術(shù)語"斷開時間"被用來指將IGBT從接通狀態(tài)轉(zhuǎn)變 為斷開狀態(tài)所占用的時間。
[0044] 柵極驅(qū)動器單元112被配置為通過柵極電阻器122將柵極電壓（Vg)施加至IGBT 108的柵極端子。柵極電阻器122處于固定值并被硬配置在柵極驅(qū)動器單元112和IGBT 108 的柵極端子之間。雖然柵極電阻器122被示出為耦合在柵極驅(qū)動器單元112和IGBT 108的柵 極端子之間，但是柵極電阻器122可以被設(shè)置在柵極驅(qū)動器單元112內(nèi)。在一個示例中，在變 換從續(xù)流二極管116至IGBT 108的電流時，柵極電阻器122被選擇以使流過對應(yīng)于IGBT 106 的續(xù)流二極管116的電流的轉(zhuǎn)換速率被維持在低值以保護續(xù)流二極管116。通過示例，柵極 電阻器122可以具有大約5歐姆的值。在圖1中，為了圖解和簡潔，只示出了一個柵極驅(qū)動器 單元112。如將意識到的，另外的這樣的柵極驅(qū)動器單元也可以耦合至其它IGBT 104、106和 110的柵極端子以控制相應(yīng)的IGBT的切換。
[0045] IGBT 104-110中的每個的切換通過諸如柵極驅(qū)動器單元112的相應(yīng)的柵極驅(qū)動器 單元選擇性地控制。在逆變器電路100中，IGBT104-110的切換被控制以使交流(AC)電壓在 負載132兩端出現(xiàn)。為了獲取負載132兩端的AC電壓，柵極驅(qū)動器單元112可以將IGBT 104和 106轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)，同時IGBT 108和110被維持在斷開狀態(tài)。在這樣的實例中，來自DC鏈路 的正端子的電流流過IGBT 104、負載132和IGBT 106。因此，負電壓在負載132兩端出現(xiàn)。 [0046] 通常，在將IGBT 108和110切換至接通狀態(tài)之前，IGBT 104和106可以被斷開。在 IGBT 104和106被斷開時段期間和在IGBT 108和110被接通之前，流過負載132的電流被中 斷。感應(yīng)負載，諸如負載132,阻礙流過其的電流的突然中斷。更具體地，負載132試圖維持電 流的流動。然而，因為所有的IGBT 104-110都處于斷開狀態(tài)，所以來自負載132的電流流過 正向偏置的續(xù)流二極管118至DC鏈路。
[0047]在IGBT 108和110被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，來自DC鏈路的正端子的電流流過IGBT 108、負載132和IGBT 110。因此，正電壓在負載132兩端出現(xiàn)。IGBT 104-110的這樣的周期切 換生成負載132兩端的AC電壓。
[0048]流過續(xù)流二極管116的電流和流過負載132的電流構(gòu)成流過IGBT 108的電流。通 常，流過負載132的電流保持恒定。因此，在IGBT108正被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，流過IGBT 108 (通常在換向階段)的電流可以又影響續(xù)流二極管116。因此，流過續(xù)流二極管116的電流的 轉(zhuǎn)換速率需要被控制以保護續(xù)流二極管116。類似地，在IGBT 106、110和104正轉(zhuǎn)變?yōu)榻油?狀態(tài)時，這樣的電流還分別流過續(xù)流二極管118、114和120。
[0049]圖2是在IGBT 108轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)期間諸如圖1的IGBT模塊128的功率開關(guān)模塊的 各種參數(shù)的時間響應(yīng)的圖解說明200。參考圖1描述圖2中描繪的時間響應(yīng)。為了圖解和簡 潔，圖2中描繪了對應(yīng)于IGBT模塊128的時間響應(yīng)。其它IGBT模塊124、126和130還可以在它 們分別轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)期間具有類似的時間響應(yīng)。
[0050]更具體地，圖解說明200描繪IGBT 108的柵極電壓(Vg)202、集電極至發(fā)射極電流 (IcE)204和集電極至發(fā)射極電壓(VCE)206的時間響應(yīng)。圖解說明200還描繪流過續(xù)流二極管 116(In)的電流的時間響應(yīng)208。在圖解說明200中，X軸201表示以微秒為單位的時間，并且Y 軸203表示IGBT 108的柵極電壓（Vg)、集電極至發(fā)射極電流（IcE)、集電極至發(fā)射極電壓 (VeE)的值以及流過續(xù)流二極管116 (I η)的電流?？梢宰⒁獾?，IGBT 108的柵極電壓(Vg) 202 的時間響應(yīng)使用按比例放大的值來描繪。在一個示例中，IGBT 108的柵極電壓(Vg)的值可 以放大大約100倍。
[0051]在轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粻顟B(tài)期間，IGBT 108循環(huán)通過延遲階段、換向階段和飽和階段。在一 個實施例中，第一狀態(tài)是接通狀態(tài)。因此，IGBT108的"接通時間"可以等于延遲階段(備選地 稱為預(yù)升壓階段）、換向階段和飽和階段(備選地稱為飽和階段)的持續(xù)時間之和。
[0052]參見柵極電壓(Vg)的時間響應(yīng)202,在柵極電壓(Vg)開始升高時延遲階段開始，并 且在柵極電壓(Vg)達到IGBT 108的閾值電壓時結(jié)束。在一個示例中，IGBT 108的閾值電壓 可以是6伏特。延遲階段的持續(xù)時間由附圖標(biāo)記210表示。在延遲階段期間，IGBT 108不導(dǎo) 電。柵極電壓(Vg)升高的轉(zhuǎn)換速率取決于柵極電阻器122的電阻。例如，柵極電阻器122的電 阻越低，柵極電壓(Vg)升高的轉(zhuǎn)換速率越快。然而，如先前提到的，柵極電阻器122的值被選 擇以保護續(xù)流二極管116。因此，如圖2中描繪的，延遲階段210的持續(xù)時間特別大。延遲階段 210的這個大持續(xù)時間有助于增加 IGBT 108的接通時間。
[0053]此外，在柵極電壓(Vg)達到對應(yīng)于IGBT 108的閾值電壓時換向階段開始，并且在 流過續(xù)流二極管116(In)(例如，換向電流)的電流達到負方向的最大值時結(jié)束。在續(xù)流二極 管進入阻斷模式時，流過續(xù)流二極管116的電流具有負值。此外，如先前提到的，流過 IGBT108的電流是流至負載132的電流和流過續(xù)流二極管116的電流之和。在換向階段期間， 流過負載132的電流是恒定的。因此，為了保護續(xù)流二極管116和限制控制電磁發(fā)射，流過續(xù) 流二極管116(I n)的電流的轉(zhuǎn)換速率需要被控制。因此，要求柵極電阻器122的值更高。如先 前提到的，柵極電阻器122被選擇以使流過續(xù)流二極管116(In)的電流的轉(zhuǎn)換速率被維持在 低值以保護續(xù)流二極管116。然而，在這樣的配置中，當(dāng)柵極電阻器122被硬配置時，流過續(xù) 流二極管116 (In)的電流的轉(zhuǎn)換速率還可以被DC鏈路電壓改變、流過負載132的電流改變和 IGBT 108中的結(jié)溫度改變中的一個或多個影響。換向階段的持續(xù)時間由附圖標(biāo)記212表示。
[0054]飽和階段在換向階段的結(jié)尾開始，并且在IGBT 108達到接通狀態(tài)時結(jié)束。飽和階 段的持續(xù)時間由附圖標(biāo)記214表示。在飽和階段214期間，IGBT 108的集電極至發(fā)射極電壓 (VeE)的值從接近于DC鏈路電壓電平降低至諸如等效于IGBT 108的正向電壓降的電壓值的 低電平。集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的轉(zhuǎn)換速率由柵極電阻器122的值來控制。例如，柵極電 阻器122的電阻越高，集電極至發(fā)射極電壓(V CE)的轉(zhuǎn)換速率越低。然而，續(xù)流二極管116上的 應(yīng)力與集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的轉(zhuǎn)換速率無關(guān)。因此，集電極至發(fā)射極電壓(V CE)的高 轉(zhuǎn)化速率被期望減少切換損耗并迅速地將IGBT 108轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)。然而，柵極電阻器122 被選擇為具有足夠高的值(例如，5歐姆）以限制換向階段212中流過續(xù)流二極管116的電流 的轉(zhuǎn)換速率。由于柵極電阻器122的電阻的高的值，集電極至發(fā)射極電壓(V CE)的轉(zhuǎn)換速率比 如果只有飽和階段中的行為需要被優(yōu)化的情況下集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的轉(zhuǎn)換速率可 能的值低。因此，如圖2中描繪的，飽和階段的持續(xù)時間也實質(zhì)上更大。飽和階段的大的持續(xù) 時還有助于增加 IGBT 108的接通時間。
[0055]因此，使用被選擇來保護續(xù)流二極管116的柵極電阻器122的固定值增加了 IGBT 108總接通時間。IGBT 108接通時間的增加又限制了包括這樣的在高頻應(yīng)用中的IGBT的逆 變器電路100的使用。
[0056]圖3是采用根據(jù)本說明書的方面的示范柵極驅(qū)動器電路的逆變器電路300的示意 圖。示范柵極驅(qū)動器電路的使用有助于避開當(dāng)前可用的逆變器電路的缺點。
[0057] 圖3的逆變器電路300包括直流(DC)電壓源302和諸如IGBT模塊344、346、348和350 的一個或多個功率開關(guān)模塊的布置。IGBT模塊344、346、348和350被總稱為IGBT模塊344-350 JC電壓源302類似于圖1的DC電壓源102,并且可以被配置為供給多于一個電壓電平。例 如，來自DC電壓源302的輸出電壓電平可以包括-15伏特和+15伏特的電壓以及柵驅(qū)動單元 312的偏置電壓。在圖3的實施例中，DC電壓源302被示出在柵極驅(qū)動器電路312之外。然而， 在一些實施例中，DC電壓源302可以形成柵極驅(qū)動器電路312的一部分。
[0058] IGBT模塊344-350可以具有基本類似于圖1的IGBT模塊124-130的配置的配置。例 如，IGBT 344、346、348和350還可以分別包括IGBT 304、306、308和310。此外，IGBT模塊344、 346、348和350還可以包括分別與IGBT 304、306、308、110反并聯(lián)耦合的續(xù)流二極管314、 316、318和320JGBT 304、306、308和310被總稱為IGBT 304-310。此外，IGBT 304-310中的 每個還可以包括耦合至相應(yīng)的功率發(fā)射極端子的開爾文發(fā)射極端子。為了便于說明，圖3 中描繪了只對應(yīng)于諸如IGBT 308的一個IGBT的開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子 309 〇
[0059] 在逆變器電路300中，IGBT模塊344-350以標(biāo)準(zhǔn)Η橋接逆變器配置耦合。此外，如在 圖3中描繪的，負載324耦合至逆變器電路300的IGBT模塊344-350。在一些實施例中，逆變器 電路300的操作可以類似于圖1的逆變器電路100的操作。雖然圖3的實施例示出IGBT模塊 344-350為以標(biāo)準(zhǔn)Η橋接逆變器配置耦合，但是諸如半橋接逆變器配置的其它配置的使用也 是預(yù)期的。
[0060] 在一個實施例中，逆變器電路300可以進一步包括一個或多個柵極驅(qū)動器電路，諸 如耦合至IGBT的柵極端子的柵極驅(qū)動器電路312。為了便于說明，在圖3的實施例中，逆變器 電路300被示出為包括可操作地耦合至IGBT 308的一個柵極驅(qū)動器電路312。另外的柵極驅(qū) 動器電路還可以與其它IGBT 304、306和310-起使用。此外，在又一個實施例中，公共柵極 驅(qū)動器電路還可以被實現(xiàn)用來于控制IGBT 304-310的切換。此外，雖然在圖3的實施例中 IGBT 304-310被描繪為功率開關(guān)，包括但不限于反向?qū)щ姷腎GBT、BiGT或MOSFET的其它類 型的半導(dǎo)體裝置可以被用作功率開關(guān)，而不會背離本說明書的范圍。
[0061] 在現(xiàn)在的預(yù)期配置中，柵極驅(qū)動器電路312包括耦合至IGBT308的柵極端子的電阻 器網(wǎng)絡(luò)322。更具體地，電阻器網(wǎng)絡(luò)322的第一端子321耦合至DC電壓源302的正向柵極電壓 供給端子。在一個示例中，DC電壓源302可以被配置為從正柵極電壓源端子供給+15伏特。此 外，電阻器網(wǎng)絡(luò)322的第二端子323耦合至IGBT 308的柵極端子。電阻器網(wǎng)絡(luò)322包括耦合在 電阻器網(wǎng)絡(luò)322的第一端子321和第二端子323之間的多個電阻器，諸如電阻器326、328、330 和332。雖然圖3的實施例將電阻器網(wǎng)絡(luò)322描繪為包括四個電阻器326、328、330和332,但是 還可以使用更多或更少的數(shù)目的電阻器，而不會背離本說明書的范圍。電阻器326、328、330 和332的值可以相同或不同。
[0062] 此外，在一個實施例中，柵極驅(qū)動器電路312可以包括關(guān)斷電阻器331。關(guān)斷電阻器 331的一個端子可以耦合至IGBT 308的柵極端子。關(guān)斷電阻器331的其它端子可以經(jīng)由開關(guān) 333耦合至DC電壓源302的負柵極電壓源端子。在一個示例中，DC電壓源302可以被配置為從 負柵極電壓源端子供給-15伏特。雖然圖3的示例實施例描繪一個關(guān)斷電阻器331的使用，但 是諸如電阻器網(wǎng)絡(luò)322的另一個電阻器網(wǎng)絡(luò)可以被用在IGBT 308的柵極端子和DC電壓源 302的負柵極電壓源端子之間。
[0063] 此外，電阻器網(wǎng)絡(luò)322還可以包括分別與電阻器326、328、330和332串聯(lián)電地耦合 的開關(guān)334、336、338和340。在一個示例中，開關(guān)333、334、336、338和340是M0SFET。開關(guān)334、 336、338和340中的一個或多個，在閉合時(例如，在接通狀態(tài)），使能相應(yīng)的電阻器的并聯(lián)耦 合。因此，在IGBT 308的柵極端子處的由電阻器網(wǎng)絡(luò)322(下文還稱為電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效 值)提供的電阻值是并聯(lián)耦合的電阻器的并聯(lián)等效值。通過示例，如果所有的開關(guān)334、336、 338和340閉合，則電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻(REQ)可以使用方程(1)來確定。
[0065] 其中，R326、R328、R33Q和R332分別表示電阻器326、328、330和332的電阻值。
[0066] 類似地，在另一個示例中，如果開關(guān)334和336閉合并且開關(guān)338和340打開，則電阻 器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻(REQ)可以使用方程(2)來確定。
[0068] 繼續(xù)參考圖3,柵極驅(qū)動器電路312可以進一步包括控制單元342。在一個示例中， 控制單元342可以使用諸如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)的控制器來實現(xiàn)。在另一個示例中， 控制單元342可以被實現(xiàn)為專用集成電路(ASIC)。在又一個示例中，控制單元342可以使用 微控制器或處理器來實現(xiàn)。在一個實施例中，控制單元342還可以包括諸如存儲器(未示出） 的存儲介質(zhì)。
[0069] 此外，在一個實施例中，控制單元342可以從DC電壓源302接收偏置電壓?？刂茊卧?342可以操作性地耦合至電阻器網(wǎng)絡(luò)322和關(guān)斷電阻器331。更具體地，控制單元342可以操 作性地耦合至開關(guān)334、336、338、340和333。其中開關(guān)包括M0SFET的情況下，控制單元342可 以操作性地耦合至MOSFET的柵極端子?？刂茊卧?42可以被配置為通過選擇性地操作（例 如，閉合或打開)開關(guān)334、336、338和340來控制電阻器網(wǎng)絡(luò)322,以使在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)?接通狀態(tài)時，電阻器網(wǎng)絡(luò)322可以在延遲階段、換向階段和飽和階段中的至少兩個中提供不 同的等效電阻值。
[0070] 在逆變器電路300的操作期間，為了選擇性地操作開關(guān)334、336、338和340,控制單 元342被配置為確定延遲階段、換向階段或飽和階段的發(fā)生(例如，開始）。在一個實施例中， 在IGBT 308的柵極端子處的柵極電壓(Vg)開始升高時，控制單元342被配置為確定延遲階 段已經(jīng)起動。
[0071] 在本說明書的一個實施例中，在柵極驅(qū)動器電路312的開環(huán)控制模式的情況下，控 制單元342被配置為借助于查找表的使用來確定換向階段和/或飽和階段的發(fā)生。查找表可 以包括信息，該信息包括但不限于對應(yīng)于各種功率開關(guān)的換向階段和飽和階段的典型開始 時間。更具體地，查找表可以包括換向階段和飽和階段的開始時間和IGBT308的對應(yīng)型號 (下文也稱為身份）。此外，對應(yīng)于型號的延遲階段、換向階段或飽和階段中的每個的電阻器 網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的值還可以被存儲在查找表中。表1是可以由控制單元342使用 來選擇性地操作開關(guān)334、336、338和340的示例查找表。
[0072] 表 1
[0074]在一個實施例中，在實現(xiàn)控制單元342用于操作之前，查找表可以被存儲在與控制 單元342相關(guān)聯(lián)的存儲器中。而且，IGBT的型號也可以被存儲在存儲器中。
[0075]在逆變器電路300的操作期間，例如，在期望將IGBT 308轉(zhuǎn)變到接通狀態(tài)上時，控 制單元342可以被配置為基于IGBT 308的給定型號的查找表來確定電阻器網(wǎng)絡(luò)322對應(yīng)于 延遲階段的等效電阻的期望的值。例如，如果IGBT 308的型號是#1，則控制單元342可以被 配置為基于諸如表1的查找表來確定電阻器網(wǎng)絡(luò)322對應(yīng)于延遲階段的等效電阻的期望值 是1歐姆。
[0076] 此外，控制單元342可以被配置為選擇性地操作開關(guān)334、336、338和340以將電阻 器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻設(shè)置在期望的值。例如，在IGBT 308的延遲階段中，控制單元342可以 被配置為在接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間選擇性地切換開關(guān)334、336、338和340中的一個或多 個，以使電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻被設(shè)定在1歐姆。在一個示例中，在開關(guān)334、336、338和 340是MOSFET時，開關(guān)334、336、338和340可以通過在開關(guān)334、336、338和340的相應(yīng)的柵極 端子處提供適當(dāng)?shù)碾妷簛斫油ê?或斷開。如將意識到的，η溝道M0SFET和p溝道M0SFET要求 要接通和斷開的柵極電壓的不同極性。一旦電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻被設(shè)定在對應(yīng)于延 遲階段的期望的值，則柵極電壓(Vg)開始升高。下文中柵極電壓(Vg)開始升高的時間被稱 作時間Tu
[0077] 在本說明書的一個實施例中，控制單元342可以被配置為在開環(huán)控制模式下操作。 在開環(huán)控制模式中，換向階段和/或飽和階段的開始可以基于在時間T1之后過去的時間來 確定。通過示例，在開環(huán)控制模式中，控制單元342可以被配置為監(jiān)測時間T1之后過去的時 間?？刂茊卧?42還可以被配置為在過去的時間超過存儲在查找表中的換向階段和飽和階 段的對應(yīng)的開始時間時確定換向階段和飽和階段的開始。
[0078] 在本說明書的另一個實施例中，控制單元342可以被配置為在閉環(huán)控制模式下操 作。在閉環(huán)控制模式下，IGBT 308的開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309可以耦合 至柵極驅(qū)動器電路312。更具體地，開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309可以耦合至 控制單元342。類似地，其它IGBT 304、306和310的開爾文發(fā)射極端子(未示出）和功率發(fā)射 極端子也可以耦合至與IGBT 304、306和310相關(guān)聯(lián)的柵極驅(qū)動器電路中的相應(yīng)的控制單 J L· 〇
[0079]此外，在閉環(huán)控制模式中，換向階段和飽和階段的開始可以基于IGBT 308的開爾 文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe3)的值來確定。例如，在閉環(huán)控制模 式下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309之間的 電壓(V kpe)。如將意識到的，電壓(Vkpe)可以指示IGBT 308的集電極至發(fā)射極電流（ICE)的導(dǎo) 數(shù)(dWdt)。此外，電壓(Vkpe)可以表示寄生電感311兩端的電壓。此外，在一個實施例中，控 制單元342可以進一步被配置為將電壓(V kpe)的值與第一閾值和第二閾值相比較以分別確 定換向階段和飽和階段的開始。第一閾值可以指示換向階段的開始，并且第二閾值可以指 示飽和階段的開始。在另一個實施例中，只可以使用一個閾值。例如，如果電壓(V kpe3)的值超 過閾值，則控制單元342可以被配置為確定換向階段已經(jīng)開始。然而，如果電壓(Vkpe)的值降 到閾值以下，則控制單元342可以被配置為確定飽和階段已經(jīng)開始。
[0080]在一些實施例中，在閉環(huán)控制模式下，IGBT 308的換向階段和飽和階段的開始可 以基于IGBT 308的柵極電壓(Vg)的值來確定。在這樣的實例中，IGBT 308的柵極端子可以 耦合至（未示出）控制單元342。在IGBT 308的柵極電壓(Vg)的值分別超過第三閾值和第四 閾值時，控制單元342可以被配置為確定換向階段和飽和階段的開始。第三閾值可以指示換 向階段的開始，并且第四閾值可以指示飽和階段的開始。
[0081 ]此外，在某些實施例中，在閉環(huán)控制模式下，IGBT 308的換向階段的開始可以基于 IGBT 308的集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的值來確定。在這樣的實例中，IGBT 308的集電極端 子和/或功率發(fā)射極端子309可以耦合至（未示出）控制單元342。在IGBT 308的集電極至發(fā) 射極電壓(VCE)的值開始減小時，控制單元342可以被配置為確定換向階段的開始。
[0082]在本說明書的又一個實施例中，控制單元342可以被配置為在混合模式下操作。在 混合模式中，開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309可以耦合至柵極驅(qū)動器電路312。 更具體地，開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309可以耦合至控制單元342。類似地， 其它IGBT 304、306和310的開爾文發(fā)射極端子和功率發(fā)射極端子也可以耦合至與IGBT 304、306和310相關(guān)聯(lián)的柵極驅(qū)動器電路中的相應(yīng)的控制單元。
[0083]在混合模式中，換向階段和飽和階段的開始可以基于開爾文發(fā)射極端子307和功 率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe)的值和/或時間!^之后過去的時間來確定。在一個實施 例中，控制單元342可以被配置為監(jiān)測時間1^之后過去的時間和開爾文發(fā)射極端子307和功 率發(fā)射極端子309之間的電壓(V kpe)兩者。此外，控制單元342還可以被配置為使用開環(huán)控制 模式和閉環(huán)控制模式中采用的方法來確定換向階段和飽和階段的開始。因此確定的特定階 段(例如，換向階段或飽和階段)的兩個開始時間中的更早的可以被識別為特定階段的開始 時間。例如，如果基于電壓(V kpe3)確定的換向階段的開始時間比基于過去的時間確定的換 向階段的開始時間晚，則控制單元342可以被配置為將基于電壓(V kpe)確定的開始時間識別 為換向階段的開始時間。
[0084] 此外，控制單元342還可以被配置為基于IGBT 308的型號來確定電阻器網(wǎng)絡(luò)322對 應(yīng)于換向階段和飽和階段的等效電阻的期望的值。例如，電阻器網(wǎng)絡(luò)322在換向階段和飽和 階段中的等效電阻的期望的值分別是1.5歐姆和0.5歐姆。確定電阻器網(wǎng)絡(luò)322對應(yīng)于換向 階段和飽和階段中的每個的等效電阻的期望的值的細節(jié)會結(jié)合圖9A和9B更詳細地描述。
[0085] 此外，對于換向階段和飽和階段中的每個，控制單元342還可以被配置為選擇性地 操作開關(guān)334、336、338和340以將電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻設(shè)定為期望的值。如前面提到 的，在一個實施例中，電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的值可以使用查找表來獲取。在換 向階段和飽和階段中的每個中選擇性地操作開關(guān)334、336、338和340的細節(jié)會結(jié)合圖9A和 9B來更詳細地描述。此外，如將意識到的，一旦開關(guān)334、336、338和340被選擇性地操作以在 延遲階段、換向階段和飽和階段中的任何一個中將電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻設(shè)定為期望 的值，則驅(qū)動強度(例如，柵電流)被供給至IGBT 308的柵極端子。驅(qū)動強度的值可以基于電 阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的瞬時值。
[0086] 在一個實施例中，在與換向階段期間電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻相比較時，控制單 元342可以被配置為在延遲階段期間將電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻設(shè)定為更低的值。因此， 柵極電壓(Vg)可以更快達到IGBT 308的閾值電壓。柵極電壓(Vg)的這樣的快速升高有助于 降低延遲階段的持續(xù)時間（下文中也稱為滯后時間）。而且，在與換向階段期間電阻器網(wǎng)絡(luò) 322的等效電阻相比較時，控制單元342可以被配置為在飽和階段期間將電阻器網(wǎng)絡(luò)322的 等效電阻設(shè)定為更低值。因此，在與IGBT 308的集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的轉(zhuǎn)換速率相比 時，IGBT 308的集電極至發(fā)射極電壓(VCE)的轉(zhuǎn)換速率更高。在飽和階段中集電極至發(fā)射極 電壓(VCE)的轉(zhuǎn)換速率的這個增加還有助于減小飽和階段的持續(xù)時間。此外，在換向階段中 的更高電阻值的使用有助于維持流過續(xù)流二極管316的電流的更低轉(zhuǎn)換速率，由此減少續(xù) 流二極管316的應(yīng)力。因此，在換向階段期間，續(xù)流二極管316也被保護。
[0087] 圖4是根據(jù)本說明書的方面的柵極驅(qū)動器電路的另一個實施例的示意圖。特別地， 圖4的柵極驅(qū)動器電路400展現(xiàn)圖3的柵極驅(qū)動器電路312的另一個實施例。因此，在一個實 施例中，柵極驅(qū)動器電路400可以被在圖3的逆變器電路300中采用，取代柵極驅(qū)動器電路 312。結(jié)合圖3的部件來描述圖4。
[0088] 柵極驅(qū)動器電路400可以包括控制單元402。在一些實施例中，控制電路402的操作 可以基本上等于圖3的控制電路342的操作。在將諸如IGBT 308的IGBT的轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)期 間，除了提供可變電阻之外，柵極驅(qū)動器電路400還可以被配置為在將IGBT 308轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙?狀態(tài)期間提供可變電阻。在一個實施例中，第二狀態(tài)是斷開狀態(tài)。
[0089] 柵極驅(qū)動器電路400可以包括具有第一端子440和第二端子442的電阻器網(wǎng)絡(luò)404。 除了電阻器406、408、410和412以及開關(guān)414、416、418和420之外，電阻器網(wǎng)路404還可以包 括電阻器422、424、426和428以及對應(yīng)的開關(guān)430、432、434和436。開關(guān)414、416、418和420與 電阻器406、408、410和412分別串聯(lián)耦合。而且，開關(guān)430、432、434和436與電阻器422、424、 426和428分別串聯(lián)耦合。開關(guān)414、416、418、420、430、432、434和436可以由控制單元402選 擇性地操作。
[0090] 此外，如圖4中描繪的，電阻器406、408、410、412、422、424、426和428的第一端可以 耦合在共同接點438處。在目前的預(yù)期配置中，共同接點438耦合至IGBT 308的柵極端子（圖 4中未示出）。電阻器406、408、410和412的第二端分別經(jīng)由開關(guān)414、416、418和420耦合至電 阻器網(wǎng)絡(luò)404的第一端子440。電阻器網(wǎng)絡(luò)404的第一端子440可以耦合至諸如DC電壓源302 的DC電壓源的正柵極電壓源端子。此外，電阻器422、424、426和428的第二端分別經(jīng)由開關(guān) 422、424、426和428耦合至電阻器網(wǎng)絡(luò)404的第二端子442。電阻器網(wǎng)絡(luò)404的第二端子442可 以耦合至DC電壓源的負柵極電壓源端子。
[0091] 在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，控制單元402可以被配置為打開開關(guān)430、432、 434和436。此外，控制單元402可以被配置為在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，選擇性地操 作開關(guān)414、416、418和420以在延遲階段、換向階段和飽和階段中提供不同的等效電阻值。 [0092]以類似的方式，在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)時，控制單元402可以被配置為打開 開關(guān)414、416、418和420?？刂茊卧?02還可以被配置為在IGBT 308正被轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)時， 選擇性地操作開關(guān)430、432、434和436以在各個階段期間提供不同的等效電阻值。
[0093]通過以這種方式實現(xiàn)柵極驅(qū)動器電路，除了在IGBT轉(zhuǎn)變至接通狀態(tài)期間提供可變 電阻之外，還可以在將IGBT轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)期間提供可變電阻。因此，IGBT的接通時間和斷 開時間可以被減小以實現(xiàn)更快的IGBT的切換。
[0094]圖5是示出根據(jù)本說明書的各方面的在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，對應(yīng)于諸 如圖3的IGBT模塊348的功率開關(guān)模塊的各種參數(shù)的時間響應(yīng)的圖解說明500。更具體地，在 控制單元342被配置為以開環(huán)控制模式操作時，如圖5中描繪的時間響應(yīng)可以被獲取。為了 便于說明，圖5中只描繪了對應(yīng)于IGBT模塊348的時間響應(yīng)。其它IGBT模塊344、346、350也可 以具有類似的時間響應(yīng)。
[0095]圖解說明500描繪了IGBT 308的柵極電壓(Vg)502、集電極至發(fā)射極電流（ICE)504 和集電極至發(fā)射極電壓(Vce)506的時間響應(yīng)。圖解說明500還描繪流過續(xù)流二極管316(In) 的電流的時間響應(yīng)508。此外，在圖解說明500中，X軸501表示以微秒為單位的時間，并且Y軸 503表示IGBT 308的柵極電壓(Vg)、集電極至發(fā)射極電流（ICE)、集電極至發(fā)射極電壓(VCE) 的值以及流過續(xù)流二極管316(In)的電流。IGBT 308的柵極電壓(Vg)502的時間響應(yīng)使用放 大的值來描繪。在一個示例中，IGBT308的柵極電壓(V g)的值可以放大大約100倍。延遲階 段、換向階段和飽和階段的持續(xù)時間分別由附圖標(biāo)記510、512和514表示。延遲階段、換向階 段和飽和階段的開始時間由Td(例如，Ti)、Tc^PT s表示。此外，如先前指出的，時間Td、Tc^PTs 的值可被存儲在查找表中?？梢灾赋龅氖?，與圖1的IGBT108的延遲階段和飽和階段的持續(xù) 時間相比，IGBT 308的延遲階段和飽和階段的持續(xù)時間實質(zhì)上更低。IGBT 308的延遲階段 和飽和階段的持續(xù)時間方面的這個減少是因為與圖1的柵極電阻器122的固定值相比，電阻 網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的適應(yīng)性改變。
[0096]在本說明書的一些實施例中，在短路情況下，IGBT 308的集電極至發(fā)射極電流 (IcE)可以開始升高至更高值。例如，IGBT 308的集電極至發(fā)射極電流（ICE)可以升高直至 IGBT 308的短路電流限制的級別。在這樣的實例中，如果電阻器網(wǎng)路322的等效電阻的改變 飽和階段的開始時起動（如在如圖5中描繪的），則IGBT 308的集電極至發(fā)射極電流（ICE)的 振蕩可以被減少，由此在短路情況期間保護IGBT 308。
[0097]圖6是示出根據(jù)本說明書的各方面的在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，對應(yīng)于諸 如IGBT模塊348的功率開關(guān)模塊的各種參數(shù)的另一組時間響應(yīng)的圖解說明600。更具體地， 在控制單元342被配置為以閉環(huán)控制模式操作時，圖6中描繪的時間響應(yīng)可以被獲取。如先 前指出的，在閉環(huán)控制模式中，控制單元342被配置為至少基于出現(xiàn)在開爾文發(fā)射極端子 307和功率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe)來確定換向階段和飽和階段的開始。為了便于 說明，圖6中只描述了對應(yīng)于IGBT模塊348的時間響應(yīng)。其它IGBT模塊344、346、350也可以具 有類似的時間響應(yīng)。
[0098]圖解說明600描繪了IGBT 308的柵極電壓（Vg)602、集電極至發(fā)射極電流（IcE) 604、集電極至發(fā)射極電壓(VCE)606和電壓(Vkpe)616的時間響應(yīng)。圖解說明600還描繪流過 續(xù)流二極管316 (In)的電流的時間響應(yīng)608。此外，在圖解說明600中，X軸601表示以微秒為 單位的時間，并且Y軸603表示IGBT 308的柵極電壓(Vg)、集電極至發(fā)射極電流（ICE)、集電 極至發(fā)射極電壓(VCE)的值、電壓(Vkpe)以及流過續(xù)流二極管316(In)的電流。使用放大的 值來描述柵極電壓(V g)602的時間響應(yīng)和IGBT 308的電壓(Vkpe)616的時間響應(yīng)。在一個示 例中，IGBT 308的柵極電壓(Vg)和電壓(Vkpe)的值可以放大大約100倍。此外，延遲階段、換 向階段和飽和階段的持續(xù)時間分別由附圖標(biāo)記610、612和614表示。
[0099]在一個實施例中，如圖解說明600中描繪的，在電壓(Vkpe)超過第一閾值時，換向 階段的開始可以被觸發(fā)。例如，第一閾值可以是2伏特。此外，在電壓(Vkpe)超過第二閾值 時，飽和階段的開始可以被觸發(fā)。通過示例，第二閾值可以是零(〇)。電壓(Vkpe)的零值可以 指示dI CE/dt為OV/ys時的值。在另一個實施例中，當(dāng)在換向階段已經(jīng)被觸發(fā)之后電壓(Vkpe) 的值降到第一閾值以下時，飽和階段可以被觸發(fā)。
[0100] 可以指出的是，與圖5的圖解說明500中的飽和階段的開始相比，圖6的圖解說明 600中的飽和階段開始更早。因此，電阻器322的等效電阻還可以比柵極驅(qū)動器電路312的閉 環(huán)控制模式的情況更早調(diào)節(jié)。飽和階段的這樣的早的開始可以有助于進一步縮短飽和階段 的持續(xù)時間，由此減少切換時間和切換損耗。
[0101] 圖7是根據(jù)本說明書的方面的柵極驅(qū)動器電路的又一個實施例的示意圖。特別地， 圖7的柵極驅(qū)動器電路700展現(xiàn)圖3的柵極驅(qū)動器電路312的另一個實施例。因此，在一個實 施例中，柵極驅(qū)動器電路700可以在圖3的逆變器電路300中采用，取代柵極驅(qū)動器電路312。 結(jié)合圖3的部件來描述圖7。
[0102] 柵極驅(qū)動器電路700可以包括操作性地耦合至可變電流源704的控制單元702?？?變電流源704可以又耦合至IGBT 308的柵極端子。如將意識到的，可變電流源704的輸出電 流可以構(gòu)成IGBT 308的驅(qū)動強度。術(shù)語驅(qū)動強度和柵電流可以互換使用?？勺冸娏髟?04可 以使用晶體管和/或運算放大器(Opamp)來實現(xiàn)。
[0103] 可以指出的是，控制單元702的操作可以基本等于圖3的控制單元342的操作。例 如，控制單元702可以被配置為確定對應(yīng)于可以以開環(huán)控制模式、閉環(huán)控制模式或混合模式 操作的柵極驅(qū)動器電路312的任何實現(xiàn)中的延遲階段、換向階段和/或飽和階段的開始時 間。在圖7的實施例中，一旦延遲階段、換向階段和/或飽和階段中任何一個的開始被確定， 則控制單元702可以被配置為控制可變電流源704,以使在IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時， 在延遲階段、換向階段和飽和階段中的至少兩個中供給不同的驅(qū)動強度。更具體地，控制單 元702可以被配置為控制可變電流源704,以使將IGBT 308轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)的總時間被減 少。
[0104] 在一個實施例中，與在換向階段中供給的柵電流相比，在延遲階段和/或飽和階段 中由可變電流源704供給至IGBT 308的柵極端子的驅(qū)動強度可以更高，由此減少延遲階段 和飽和階段的持續(xù)時間。延遲階段和飽和階段的持續(xù)時間中的這個減小可以又減少將IGBT 308轉(zhuǎn)變至接通狀態(tài)的總時間。此外，在換向階段中供給更低柵電流的供應(yīng)有助于維持流過 續(xù)流二極管316的電流的轉(zhuǎn)換速率在低的值。流過續(xù)流二極管316的電流的轉(zhuǎn)換速率的這個 低的值保護續(xù)流二極管316。
[0105] 圖8描繪了說明根據(jù)本說明書的方面的用于驅(qū)動諸如圖3的IGBT 308的功率開關(guān) 的示例方法的流程圖800。結(jié)合圖3的逆變器電路300的部件來描述流程圖800。如先前指出 的，逆變器電路300可以包括IGBT模塊342-350和柵極驅(qū)動器電路312。此外，IGBT模塊包括 IGBT 304-310和續(xù)流二極管314-320。此外，柵極驅(qū)動器電路312可以包括電阻器網(wǎng)絡(luò)322。 而且，控制單元342被配置為控制電阻器網(wǎng)絡(luò)322。
[0106] 在步驟802,在諸如IGBT 308的功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粻顟B(tài)時，延遲階段、換向階 段和飽和階段的發(fā)生可以被確定。在一個實施例中，第一狀態(tài)是接通狀態(tài)。延遲階段、換向 階段和飽和階段的發(fā)生由柵極驅(qū)動器電路312的控制單元342確定。在一個實施例中，延遲 階段、換向階段和飽和階段的發(fā)生可以基于查找表來確定。在另一個實施例中，延遲階段、 換向階段和飽和階段的發(fā)生可以基于出現(xiàn)在開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309 之間的電壓(Vkpe)和查找表來確定。步驟802的進一步細節(jié)將在圖9A和9B的流程圖中描述。
[0107] 在步驟804,耦合至IGBT 308的電阻器網(wǎng)絡(luò)，諸如電阻器網(wǎng)絡(luò)322,可以被控制為以 使在當(dāng)IGBT 308被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時的延遲階段、換向階段和飽和階段中的至少兩個中， 電阻器網(wǎng)絡(luò)322可以提供不同的電阻值。在一個實施例中，電阻器網(wǎng)絡(luò)322由控制單元342通 過選擇性地操作開關(guān)334、336、338和340來控制。步驟804的進一步細節(jié)將在圖9A和9B的流 程圖中描述。
[0108] 圖9A和9B描繪了根據(jù)本說明書的方面的圖8的方法的具體流程圖900。結(jié)合圖3的 逆變器電路300的部件來描述流程圖900。如先前提到的，在為操作而實現(xiàn)控制單元342之 前，控制單元342被配置為將查找表存儲在，例如存儲器中。而且，柵極驅(qū)動器單元312電地 耦合至的IGBT(在這個示例中，IGBT 308)的型號也被存儲在與控制單元342相關(guān)聯(lián)的存儲 器中。備選地，控制單元342可以被配置為從控制單元342的外部的源獲取期望的信息。
[0109] 如由步驟902指示的，在逆變器電路300的操作期間，可以確定用于將諸如IGBT 308的功率開關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粻顟B(tài)的需要。在一個實施例中，第一狀態(tài)是接通狀態(tài)。在一個實 施例中，控制單元342可以被用于基于負載324兩端的AC信號的期望的周期來確定用于將 IGBT 308轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)的需要。在另一個實施例中，控制單元342可以從另一個控制器 (未示出）接收命令信號，其中命令信號指示需要將IGBT 308轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)。
[0110] 如由步驟904指示的，如果確定期望將IGBT 308轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)，則控制單元342 可以被配置為確定對應(yīng)于延遲階段的電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的值。在一個實施 例中，控制單元342可以被配置為基于查找表來確定電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的 值。例如，如果IGBT 308的信號是#1，則控制單元342可以被配置為從查找表獲取電阻器網(wǎng) 絡(luò)322對應(yīng)于延遲階段的等效電阻的期望的值，如具有1歐姆的值。
[0111] 隨后，在步驟906,控制單元342可以被配置為選擇性地操作電阻器網(wǎng)絡(luò)322中的開 關(guān)334、336、338和340,以使電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻被設(shè)定至1歐姆的期望的值。因此，在 延遲階段中，1歐姆的電阻可以被提供至IGBT 308的柵極端子。一旦等效電阻的期望的值被 提供至IGBT 308的柵極端子，IGBT 308的柵極電壓可以開始升高。柵極電壓(Vg)開始升高 的時間被稱為時間Ti。一旦柵極電壓(Vg)開始升高，控制單元342可以被配置為確定延遲階 段已經(jīng)起動。下文中，延遲階段、換向階段和飽和階段的開始時間分別被稱為時間Td(例如， T10〇58)、Tc^PTs。在一個實施例中，在柵極驅(qū)動器電路312的開環(huán)控制模式的情況下，IGBT 308的給定型號的時間Tc^PTs被存儲在查找表中。
[0112] 此外，在步驟908,控制單元342可以被配置為確定換向階段的發(fā)生。在一個實施例 中，在柵極驅(qū)動器電路312的開環(huán)控制模式情況下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測時間T1 之后過去的時間。下文中，時間T1之后過去的時間被稱為時間Ti。在另一個實施例中，在柵 極驅(qū)動器電路312的閉環(huán)控制模式的情況下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測出現(xiàn)在IGBT 308的開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe)。在又一個實施例中， 在柵極驅(qū)動器電路312的混合模式的情況下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測時間!^和出現(xiàn) 在開爾文發(fā)射極端子307和功率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe)兩者以確定換向階段的 發(fā)生。
[0113] 此外，如由步驟910指示的，檢查可以由控制單元342實施以確定換向階段是否已 經(jīng)起動。在一個實施例中，在開環(huán)控制模式的情況下，控制單元342可以被配置為將時間 與存儲在查找表中的時間T c相比較。如果等于T。，則控制單元342可以確定換向階段已經(jīng) 開始。在另一個實施例中，在閉環(huán)控制模式情況下，控制單元342可以被配置為將電壓 (Vkpe)的值與第一閾值(例如，2伏特)相比較。如果電壓的值(Vkpe)超過第一閾值，則控制 單元342可以確定換向階段已經(jīng)開始。在另一個實施例中，在混合模式的情況下，控制單元 342可以被配置為將換向階段的開始確定為是基于時間!^確定的換向階段的開始和基于電 壓(Vkpe)確定的換向階段的開始中的更早的那個。
[0114]如由步驟912指示的，一旦換向階段已經(jīng)開始，則控制單元342可以被配置為確定 電阻器網(wǎng)絡(luò)322對應(yīng)于換向階段的等效電阻的期望的值。在一個示例中，電阻器網(wǎng)絡(luò)322對 應(yīng)于換向階段的等效電阻的期望的值可以從查找表獲取。例如，如果IGBT 308的型號是#1， 則控制單元342可以被配置為確定換向階段中電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的值，為 1.5歐姆。
[0115] 此外，在步驟914,控制單元342可以被配置為選擇性地操作電阻器網(wǎng)絡(luò)322中的開 關(guān)334、336、338和340。更具體地，控制單元342可以被配置為選擇性地操作開關(guān)334、336、 338和340,以使電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻被設(shè)定至電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的 值。
[0116] 此外，在步驟916,控制單元342可以被配置為確定飽和階段的發(fā)生。在一個實施例 中，在開環(huán)控制模式的情況下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測時間!^。在另一個實施例中， 在閉環(huán)控制模式的情況下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測出現(xiàn)在IGBT 308的開爾文發(fā)射 極端子307和功率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe)。在又一個實施例中，在混合模式的情 況下，控制單元342可以被配置為監(jiān)測時間Ti和出現(xiàn)在IGBT 308的開爾文發(fā)射極端子307和 功率發(fā)射極端子309之間的電壓(Vkpe)。
[0117] 隨后，如由步驟918描繪的，檢查可以由控制單元342實施以確定飽和階段是否已 經(jīng)起動。在一個實施例中，在開環(huán)控制模式的情況下，控制單元342可以被配置為將時間 與存儲在查找表中的時間T s相比較。如果Ti等于Ts，則控制單元342可以確定飽和階段已經(jīng) 開始。在另一個實施例中，在閉環(huán)控制模式的情況下，控制單元342可以被配置為將電壓 (Vkpe)的值與第二閾值(例如，0伏特)相比較。如果電壓(Vkpe)的值超過第二閾值，則控制 單元342可以確定飽和階段已經(jīng)開始。在另一個實施例中，當(dāng)在換向階段已經(jīng)發(fā)生之后電 壓(Vkpe)的值降到第一閾值以下時，飽和階段的開始可以被確定。在另一個實施例中，在混 合模式的情況下，控制單元342可以被配置為將飽和階段的開始確定為基于時間確定的 飽和階段的開始和基于電壓(Vkpe)確定的飽和階段的開始中更晚的那個。
[0118] 如由步驟920指示的，一旦飽和階段開始，控制單元342可以被配置為確定電阻器 網(wǎng)絡(luò)322對應(yīng)于飽和階段的等效電阻的期望的值。在一個示例中，電阻器網(wǎng)絡(luò)322對應(yīng)于飽 和階段的等效電阻的期望的值可以從查找表獲取。例如，如果IGBT 308的型號是#1，則控制 單元342可以被配置為確定飽和階段中電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的值為0.5歐姆。
[0119] 此外，在步驟922,控制單元342可以被配置為選擇性地操作電阻器網(wǎng)絡(luò)322中的開 關(guān)334、336、338和340,以使電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻被設(shè)定至基于查找表確定的電阻器 網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻的期望的值。一旦電阻器網(wǎng)絡(luò)322的等效電阻被設(shè)定至飽和階段的期望 的值，則控制可以返回步驟902,并且步驟902-922可以如期望的被重復(fù)。
[0120] 此外，諸如可以由柵極驅(qū)動器電路中的控制器單元執(zhí)行的那些前述的示例、演示 和方法步驟可以以適當(dāng)代碼的形式存儲在非暫時性計算機可讀媒體中。代碼可以在基于處 理器的系統(tǒng)上執(zhí)行，諸如通用或?qū)Ｓ糜嬎銠C。還應(yīng)當(dāng)指出。本說明書的不同的實現(xiàn)可以以不 同的順序或基本同時(也就是并行)執(zhí)行本文中描述的步驟中的一些或全部。此外，功能可 以用以多種編程語言實現(xiàn)，包括但不限于C++或Java。這樣的代碼可以被存儲或適用于存儲 在一個或多個有形的計算機可讀媒體上，諸如存儲在數(shù)據(jù)存儲庫芯片、本地或遠程的硬盤、 光盤（即，CD或DVD)、存儲器或可以由基于處理器的系統(tǒng)訪問以執(zhí)行存儲的代碼的其它媒體 上。注意，有形媒體可以包括紙張或者其上打印指令的另一個適合的介質(zhì)。例如，指令可以 經(jīng)由紙張或其它介質(zhì)的光學(xué)掃描來用電子儀器收集，然后編譯、解釋或如果需要的話以合 適的方式另外處理，并且然后存儲在數(shù)據(jù)存儲庫或存儲器中。
[0121] 用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路的實施例和方法通過減少滯后時間和飽和 階段的持續(xù)時間來促進功率開關(guān)的更快的切換。此外，柵極驅(qū)動器電路的使用促進功率開 關(guān)的切換損耗的減少。此外，續(xù)流二極管上的應(yīng)力也被減少。
[0122] 將意識到，上面公開的變體和其它特征和功能，或者其備選方案可以組合以創(chuàng)造 許多其它不同的系統(tǒng)或應(yīng)用。其中的各種未預(yù)料到的備選、修改、變化或改進隨后可以由本 領(lǐng)域技術(shù)人員做出，并且還預(yù)期由隨附權(quán)利要求書包含。
【主權(quán)項】
1. 一種用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路，所述柵極驅(qū)動器電路包括： 電阻器網(wǎng)絡(luò)，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)耦合至所述功率開關(guān)，其中所述電阻器網(wǎng)絡(luò)包括多個電 阻器；以及 控制單元，所述控制單元操作地耦合至所述電阻器網(wǎng)絡(luò)并且配置為控制所述電阻器網(wǎng) 絡(luò)，以使在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝粻顟B(tài)時，所述電阻器網(wǎng)絡(luò)在延遲階段、換向階段和飽 和階段中的至少兩個中提供不同的電阻值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述第一狀態(tài)是接通狀態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述功率開關(guān)被設(shè)置在逆變器電路中。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述功率開關(guān)包括絕緣柵雙極晶體管、 反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管、雙模式絕緣柵晶體管、以及金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 中的至少一個。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述電阻器網(wǎng)絡(luò)耦合至所述功率開關(guān) 的柵極端子。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述電阻器網(wǎng)絡(luò)進一步包括耦合至所 述多個電阻器的多個開關(guān)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元操作地耦合至所述多個 開關(guān)并且被配置為基于所述延遲階段、所述換向階段或所述飽和階段的發(fā)生來選擇性地將 所述多個開關(guān)中的一個或多個在接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為控制所 述電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述延遲階段或所述飽和階段中由所述電阻器網(wǎng)絡(luò)提供的電阻值有 助于最小化所述延遲階段或所述飽和階段的持續(xù)時間。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為控制所 述電阻器網(wǎng)絡(luò)，以使在所述延遲階段或所述飽和階段中由所述電阻器網(wǎng)絡(luò)提供的電阻值比 在所述換向階段中由所述電阻器網(wǎng)絡(luò)提供的電阻值更小。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述功率開關(guān)包括耦合在所述功率開 關(guān)的集電極端子和發(fā)射極端子之間的續(xù)流二極管。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為基于所 述功率開關(guān)的身份和與所述延遲階段、所述換向階段和所述飽和階段的開始關(guān)聯(lián)的對應(yīng)時 間戳來檢測所述換向階段和所述飽和階段的發(fā)生。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為獲取 對應(yīng)于與所述延遲階段、所述換向階段和所述飽和階段的開始相關(guān)聯(lián)的時間戳的值，以及 從查找表獲取對應(yīng)于所述時間戳的電阻值。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為基于流 過所述功率開關(guān)的電流的導(dǎo)數(shù)來檢測所述換向階段和所述飽和階段的發(fā)生。14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為監(jiān)測 所述功率開關(guān)的開爾文端子和功率端子之間的電壓，并且其中所述功率開關(guān)的所述開爾文 端子和所述功率端子之間的所述電壓指示流過所述功率開關(guān)的電流的導(dǎo)數(shù)。15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述控制單元進一步被配置為監(jiān)測所 述功率開關(guān)的柵極電壓和集電極至發(fā)射極電壓中的至少一個以檢測所述換向階段和所述 飽和階段的發(fā)生。16. -種用于驅(qū)動功率開關(guān)的柵極驅(qū)動器電路，所述柵極驅(qū)動器電路包括： 可變電流源，所述可變電流源耦合至所述功率開關(guān)并配置為將驅(qū)動強度供給至所述功 率開關(guān)；以及 控制單元，所述控制單元操作地耦合至所述可變電流源并配置為控制所述可變電流 源，以使在所述功率開關(guān)被轉(zhuǎn)變?yōu)榻油顟B(tài)時，在延遲階段、換向階段和飽和階段中的至少 兩個中供給不同的驅(qū)動強度。17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述功率開關(guān)包括絕緣柵雙極晶體 管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管、雙模式絕緣柵晶體管、以及金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體 管中的至少一個。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的柵極驅(qū)動器電路，其中所述驅(qū)動強度包括供給至所述絕緣 柵雙極晶體管、所述反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管、所述雙模式絕緣柵晶體管、以及所述金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管中的至少一個的相應(yīng)的柵極端子的柵電流。
【文檔編號】H03K17/567GK205725692SQ201521145512
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2015年11月17日
【發(fā)明人】T·A·策爾斯, A·J·馬里庫爾貝羅, M·加西亞克萊門特
【申請人】通用電氣公司