專利名稱：控制igbt的方法和柵極驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柵極驅(qū)動器，更具體而言，涉及用于絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)的柵 極驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
IGBT是通常在高功率應(yīng)用中被用作開關(guān)的功率半導(dǎo)體部件。IGBT是柵極控制的 部件，這意味著可以從IGBT的柵極接通和關(guān)斷IGBT。IGBT的特性使得在高功率應(yīng)用中使用它們是非常有吸引力的，因為IGBT開關(guān)能 夠在高電壓電平下開關(guān)大電流。此外，IGBT開關(guān)工作速度快，這意味著接通和關(guān)斷損耗是 可容忍的。這是因為作用于該部件上的電壓和流過該部件的電流的同時時間很短。
IGBT需要能夠?qū)υ摬考膬?nèi)部電容快速充電以便接通該部件的柵極驅(qū)動電路。類 似地，柵極驅(qū)動電路從柵極移除電荷以便從該部件切斷電流。柵極驅(qū)動器連接到該部件的 柵極和發(fā)射極端子，該驅(qū)動器的目的是控制柵極相對于發(fā)射極的電位。當IGBT接通時，使 得柵極電位相對于發(fā)射極電位為正；當需要關(guān)斷時，使得柵極電位相對于發(fā)射極電位為負。為此，柵極驅(qū)動器電路需要雙側(cè)輔助電壓，從雙側(cè)輔助電壓可以得到相對于發(fā)射 極的正和負柵極電壓。通常，該雙側(cè)電壓從利用串聯(lián)連接的電容器(使得這些電容器的中 點連接到該受控部件的發(fā)射極)劃分出的電壓產(chǎn)生。于是可以控制相對于發(fā)射極的正或負 電壓施加于柵極。柵極驅(qū)動器電路還必須能夠在過大電流流過受控IGBT的情況下關(guān)斷該部件。必 須通過關(guān)斷所考慮的部件來從電路中消除通常因短路而產(chǎn)生的過電流情況。正在傳導(dǎo)過電 流的IGBT不能以正常方式關(guān)斷，因為迅速消除過大電流會在該部件的集電極和發(fā)射極之 間產(chǎn)生電壓尖峰。該電壓尖峰可能毀壞該部件和與該部件相連的器件。亦可操作為利用軟關(guān)斷消除短路電流的已知柵極驅(qū)動器電路是具有許多不同部 件并因此需要大的表面積的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。第6335608號美國專利中給出了柵極驅(qū)動器電路的 例子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方法和一種用于實施該方法的柵極驅(qū)動器電路來克服 上面的問題。本發(fā)明的目的是通過根據(jù)本發(fā)明的實施例的方法和柵極驅(qū)動器電路來實現(xiàn) 的。還公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。本發(fā)明基于如下思想使用兩個控制輸入來控制IGBT部件。電阻部件連接到這些 控制輸入的輸出；取決于這些控制輸入的狀態(tài)，電阻部件形成分壓器，并且將受控IGBT的 柵極設(shè)置于多個輔助電壓之間的電位。由此利用該電阻分壓器從輔助電壓產(chǎn)生了該電位， 該電位適合于使IGBT軟脫離過電流狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點是可以用最少量的額外部件實現(xiàn)軟關(guān)斷特征，并且該特征與柵極 驅(qū)動器中的正常接通和關(guān)斷特征無縫地結(jié)合。本發(fā)明的特征是利用簡單的設(shè)計、通過使用經(jīng)良好測試的常用部件來實現(xiàn)的。當所需部件的數(shù)目很小時，這些部件所需要的空間也很 小，從而在具有受控IGBT開關(guān)的電氣設(shè)備的外殼中占用顯著更小的空間。


下面，參照附圖通過優(yōu)選實施例更詳細地描述本發(fā)明，在附圖中圖1、圖2、圖3和圖4示出了本發(fā)明的柵極驅(qū)動器的不同實施例。
具體實施例方式圖1示出了本發(fā)明的一個實施例。利用兩個單獨的控制信號CTRLl和CTRL2執(zhí)行 對IGBT的控制。這兩個控制信號控制單獨的驅(qū)動器電路DRl和DR2，其中DRl和DR2是推 挽型光耦合器。具有正、負總線VCC+、VCC-的輔助電壓連接到驅(qū)動器電路的供電電壓。根 據(jù)控制信號控制驅(qū)動器電路，使得驅(qū)動器電路的輸出處于輔助電壓的正總線電位或負總線 電位，即高或低。驅(qū)動器電路DR1、DR2例如是作為快速部件并且由電流驅(qū)動的光耦合器。 因此，驅(qū)動器電路中有電流代表“通”狀態(tài)，而驅(qū)動器電路中沒有電流代表“斷”狀態(tài)。在本發(fā)明的電路中，電阻部件Ra的一個端子連接到驅(qū)動器電路之一 DRl的輸出 端，電阻部件Rb的一個端子連接到另一個驅(qū)動器電路DR2的輸出端。進一步地，這兩個電 阻部件的另一個端子連接在一起。這兩個電阻部件由此串聯(lián)連接在驅(qū)動器電路DR1、DR2的 輸出端之間。電阻部件Ra、Rb之間的連接節(jié)點提供柵極電壓，該連接節(jié)點進一步連接到輸出級 10，輸出級10用于驅(qū)動受控IGBT開關(guān)。圖1中的輸出級10由兩個晶體管和一個電阻器組 成，其中電阻器用于向晶體管的柵極提供高于發(fā)射極電壓的電壓。然而，電阻器不是輸出級 的工作所必需的。輸出級中的電阻器當就位時連接在這兩個晶體管的柵極和發(fā)射極之間。 進一步地，其中一個晶體管的集電極連接到正總線VCC+，另一個晶體管的集電極連接到負 總線VCC-。輸出級10的目的是將與其輸入端的電壓相同的電壓輸出到受控IGBT的柵極。 該輸出級可提供大電流，因此它適合于控制IGBT開關(guān)。圖1還示出了輔助電壓的正總線和負總線之間的電容器串聯(lián)連接。這些電容器之 間的中點連接到受控IGBT的發(fā)射極，使得柵極驅(qū)動器可以將柵極控制在相對于發(fā)射極的 負電位或正電位。圖1還示出了柵極電阻器Rg，柵極電阻器Rg常用于當IGBT受控制時減緩電壓變化率。根據(jù)本發(fā)明的方法，控制兩個單獨的驅(qū)動器電路來產(chǎn)生用于控制IGBT開關(guān)的柵 極電壓；取決于對驅(qū)動器電路的控制，柵極電壓具有三個不同的值。在圖1中，當兩個驅(qū)動器電路DR1、DR2被控制為使得它們的輸出都處于正電位 VCC+時，在電阻部件Ra、Rb的公共節(jié)點處產(chǎn)生的柵極電壓也處于高電位，即正電位VCC+。 由此，所產(chǎn)生的柵極電壓被饋送到輸出級，輸出級的輸出跟隨柵極電壓并產(chǎn)生電流以接通 IGBT或使其保持在導(dǎo)通狀態(tài)。當兩個驅(qū)動器電路DR1、DR2被控制為關(guān)斷時，它們的輸出對應(yīng)于低電位，即負電 位VCC-。柵極電壓也呈現(xiàn)相同的電位，且輸出級10利用相同的電壓控制IGBT并由此將 IGBT關(guān)斷或使其保持在截止狀態(tài)。
在IGBT開關(guān)接通并且注意到過大電流流過IGBT開關(guān)的情況下，必須使IGBT開關(guān)軟進入非導(dǎo)通狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的方法，控制這兩個驅(qū)動器電路通過建立電阻分壓器提 供具有降低的值的柵極電壓。柵極電壓在電阻部件Ra、Rb之間的中點產(chǎn)生，電阻部件Ra、 Rb形成電阻分壓器并且根據(jù)電阻的比率對輔助電壓進行分壓。如果將負電位VCC-和正電 位VCC+之間的電壓記為VCC并將電阻部件的電阻記為Ra和Rb，則柵極電壓將是VCCXRa/ (Ra+Rb)(如果電阻部件Ra是上部件)，即，柵極電壓被切換到正電位VCC +。電阻的比率由此限定了軟關(guān)斷期間的柵極電壓。柵極電壓應(yīng)被選擇為正的(即， 高于饋送到IGBT的發(fā)射極的電壓)，使得IGBT仍將保持在導(dǎo)通狀態(tài)。盡管柵極電壓是正 的，但是它仍顯著低于正常接通電壓。這將削弱該部件的電流傳導(dǎo)能力，因此電流變小。柵 極電壓保持在該降低的電平達一定時間，然后正常關(guān)斷柵極電壓被用于將該部件控制在截 止狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的柵極驅(qū)動器還實現(xiàn)了接通和關(guān)斷過程的極化(polarization)。在現(xiàn) 有技術(shù)中通常使用具有不同電阻的柵極電阻器來接通和關(guān)斷。這些電阻器經(jīng)由二極管連接 到柵極，二極管根據(jù)電流方向選擇電阻器。例如，當通過延遲對另一個驅(qū)動器電路的控制來執(zhí)行接通時，柵極電壓首先上升 到由電阻分壓限定的電平。在該延遲之后，這兩個驅(qū)動器電路都被控制在高狀態(tài)。這樣，可 使得柵極電壓逐步上升。類似地，可逐步執(zhí)行關(guān)斷過程。開關(guān)過程的這種極化的目的是影響主電路中的二 極管的電流拖尾以及電壓變化率。已知高的電壓變化率會造成有關(guān)EMC的問題；當拖尾電 流被切斷時，它會造成高壓尖峰。這兩種有害影響都可以通過逐步升高柵極電壓從而控制 電壓變化率來消除。圖2示出了本發(fā)明的另一個實施例，其中電阻器之一經(jīng)由二極管Dl連接到驅(qū)動器 電路的輸出端。在其它方面，圖2的結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖1的結(jié)構(gòu)。與電阻器串聯(lián)連接的二極管 這樣影響該電路即，使得正常的接通和關(guān)斷只利用其中一個驅(qū)動器電路來執(zhí)行，而另一個 驅(qū)動器電路被控制在高電位。在圖2的電路中，正常的接通和關(guān)斷過程利用驅(qū)動器電路DRl 來執(zhí)行，而驅(qū)動器電路DR2的輸出被控制在電位VCC+。二極管Dl連接到驅(qū)動器電路DR2的 輸出端，使得二極管的陰極連接到該輸出端。當驅(qū)動器電路DR2的輸出端連接到高電位時， 二極管截止來自該高電位的電壓，因此柵極電壓完全由驅(qū)動器電路DRl的輸出限定。當驅(qū)動器電路DR2的輸出被控制在低電位并且驅(qū)動器電路DRl的輸出被控制在高 電位時，形成電阻分壓器，并如圖1中那樣形成柵極電壓。圖2的實施例在一定程度上簡化 了控制，因為在正常工作中只有一個驅(qū)動器電路需要主動控制。當過電流情況發(fā)生時，控制 模式改變且驅(qū)動器電路DR2也需要主動控制。圖3示出了本發(fā)明的另一個實施例。該實施例與圖1的實施例的不同之處在于 一個驅(qū)動器電路DR23以集電極開路型光耦合器實現(xiàn)。當將控制信號施加于圖3中的驅(qū)動器 電路DR23的輸入端時，該電路內(nèi)部的晶體管導(dǎo)通并將集電極拉到發(fā)射極的電位，即VCC-。 當不向電路DR23施加控制時，該內(nèi)部晶體管不導(dǎo)通，另一個驅(qū)動器電路DRl對在串聯(lián)連接 的電阻器Ra、Rb之間看到的柵極電壓的值進行控制。由此，通過控制驅(qū)動器電路DRl并保持驅(qū)動器電路DR23不受控制來執(zhí)行對IGBT 的控制。當檢測到過電流時，驅(qū)動器電路DR23被主動控制，從而迫使其輸出低值。當同時驅(qū)動器電路DRl也被主動控制時，電阻連接在輔助電壓上。這將柵極電壓設(shè)置在用于啟動 受控IGBT的軟關(guān)斷的期望值。柵極電壓處于該電平達幾微秒后，驅(qū)動器電路就被控制在低 狀態(tài)以產(chǎn)生用于完全關(guān)斷IGBT的負柵極電壓。圖4示出了本發(fā)明的又一個實施例。該實施例的電路結(jié)構(gòu)與圖1的實施例的不同 之處在于該電路包括軌至軌(rail-to-rail)緩沖器或運算放大器41。該緩沖器電路41 的輸入端連接到串聯(lián)連接的電阻部件之間的節(jié)點，即，連接到柵極電壓。該緩沖器電路從 輔助電壓VCC+、VCC-接收其工作電壓，并將對應(yīng)于柵極電壓的電壓輸出到輸出級的輸入節(jié)
點ο由于軌到軌緩沖器或運算放大器41的存在，與其中驅(qū)動器電路直接控制輸出級 的電路中相比，電阻部件Ra、Rb的電阻可以選擇為具有較高的值，且驅(qū)動器電路DR1、DR2可 以選擇為具有較低的額定電流。當緩沖器電路41在使用中時，它用于饋送所需的電流以驅(qū) 動輸出級。緩沖器電路41的使用使得能夠使用較廉價的驅(qū)動器電路DR1、DR2并且有助于 最小化柵極驅(qū)動器中的損耗。本領(lǐng)域的技術(shù)人員明白，柵極驅(qū)動器電路的各部分可以用不同的部件來實現(xiàn)。這 適用于柵極驅(qū)動器電路的每一部分，包括輸入級(即，用于驅(qū)動器電路、驅(qū)動器級和輸出級 的控制信號的產(chǎn)生)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將明白，隨著技術(shù)的進步，本發(fā)明的概念可以用 各種方式來實現(xiàn)。本發(fā)明及其實施例不限于上述例子，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求
一種控制IGBT部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟利用兩個單獨的驅(qū)動器電路(DR1、DR2；DR1、DR23)產(chǎn)生用于控制所述IGBT部件的柵極電壓，其中所述驅(qū)動器電路的輸出端連接到電阻部件(Ra、Rb)的串聯(lián)連接的自由端，且所述串聯(lián)連接的中點形成所述柵極電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當所述IGBT部件承載過電流時，所述方法 包括如下步驟將一個驅(qū)動器電路的輸出控制在高電位并且將另一個驅(qū)動器電路的輸出控制在低電 位，從而將電阻部件的所述串聯(lián)連接的中點設(shè)置于所述高電位和低電位之間的電位，以啟 動所述IGBT部件的關(guān)斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟在啟動了所述IGBT的關(guān)斷并且將所述柵極電壓控制在所述高電位和低電位之間的電 位之后，將電阻部件的所述串聯(lián)連接的中點控制在低電位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟當希望所述IGBT接通時，將電阻部件的所述串聯(lián)連接的中點控制在高電位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟當希望所述IGBT關(guān)斷時，將電阻部件的所述串聯(lián)連接的中點控制在低電位。
6.一種產(chǎn)生用于控制IGBT部件的柵極電壓的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，所述柵極 驅(qū)動器電路包括兩個單獨的驅(qū)動器電路(DR1、DR2 ；DRUDR23)；電阻部件(Ra、Rb)的串聯(lián)連接，其中所述驅(qū)動器電路的輸出端連接到電阻部件(Ra、 Rb)的所述串聯(lián)連接的自由端，且所述串聯(lián)連接的中點被設(shè)置為形成用于控制所述IGBT部 件的所述柵極電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，所述驅(qū)動器電路可操作為控 制其輸出，使得電阻部件的所述串聯(lián)連接形成將所述電阻部件的中點設(shè)置于高狀態(tài)和低狀 態(tài)之間的電位的電阻分壓器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，所述驅(qū)動器電路是能夠?qū)?其輸出控制在高電位和低電位的光耦合器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，所述柵極驅(qū)動器電路包括二 極管(Dl)，所述二極管連接在所述驅(qū)動器電路之一的輸出端和電阻部件的所述串聯(lián)連接之 間，使得所述二極管的陰極連接到所述驅(qū)動器電路的輸出端，其中接通電壓和關(guān)斷電壓是使用一個驅(qū)動器電路產(chǎn)生的，而具有所述二極管的另一個 驅(qū)動器電路的輸出處于所述高狀態(tài)；并且其中通過將具有所述二極管的驅(qū)動器電路控制在低狀態(tài)并且將另一個驅(qū)動器電 路控制在高狀態(tài)，所述電阻分壓器的中點被設(shè)置于所述高狀態(tài)和低狀態(tài)之間的電位。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，其中一個驅(qū)動器電路是 集電極開路型光耦合器(DR23)且另一個驅(qū)動器電路是推挽型光耦合器(DRl)，其中所述集電極開路型光耦合器的輸出保持在所述高狀態(tài)，而接通電壓和關(guān)斷電壓是 使用所述推挽型光耦合器產(chǎn)生的；并且其中通過將所述集電極開路型光耦合器的輸出控制在低狀態(tài)并且將所述推挽型光耦合器的輸出控制在高狀態(tài)，所述電阻分壓器的中點被設(shè)置于所述高狀態(tài)和低狀態(tài)之間 的電位。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求6至10中的任一項所述的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，所述柵 極驅(qū)動器電路還包括連接到電阻部件的所述串聯(lián)連接的中點的輸出級(10)，所述輸出級產(chǎn) 生用于驅(qū)動所述受控IGBT部件的柵極的電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的柵極驅(qū)動器電路，其特征在于，所述柵極驅(qū)動器電路還包 括連接在電阻部件的所述串聯(lián)連接的中點和所述輸出級之間的緩沖器電路(41)。
全文摘要
提供了一種控制IGBT部件的方法和一種柵極驅(qū)動器。該方法包括如下步驟利用兩個單獨的驅(qū)動器電路(DR1、DR2；DR1、DR23)產(chǎn)生用于控制該IGBT部件的棚極電壓，其中驅(qū)動器電路的輸出端連接到電阻部件(Ra、Rb)的串聯(lián)連接的自由端，且該串聯(lián)連接的中點形成該柵極電壓。
文檔編號H03K17/567GK101820276SQ20101011150
公開日2010年9月1日 申請日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月5日
發(fā)明者萊奧·努蒂寧 申請人:Abb公司