專利名稱：有源柵極驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柵極驅(qū)動(dòng)器，具體地涉及利用電流和電壓斜率的閉合控制回路的柵極驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊被廣泛用于感應(yīng)(硬)開關(guān)電壓源電力電子轉(zhuǎn)換器，例如驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)式電源或固態(tài)變壓器。下述需求是IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)的挑戰(zhàn)性任務(wù):最小化IGBT的開關(guān)損耗，使電流條件和電壓條件保持在安全工作區(qū)(S0A)，例如限制關(guān)斷過電壓和在導(dǎo)通期間的峰值反向恢復(fù)電流，以及限制電磁干擾(EMI)。設(shè)置導(dǎo)通下的集電極電流斜率dic/dt使得能夠限制峰值反向恢復(fù)電流，并且關(guān)斷期間的dic/dt限定了由于跨總換向回路電感L。的電壓降而產(chǎn)生的過電壓。為了提供電磁兼容(EMC)，根據(jù)具體情況，dic/dt和集電極-發(fā)射極電壓斜率dvCE/dt必須被限制為指定值。分別針對導(dǎo)通和關(guān)斷的獨(dú)立的電流斜率和電壓斜率控制使得柵極驅(qū)動(dòng)能夠在保持在SOA且提供EMC的同時(shí)以最小的開關(guān)損耗在所有操作點(diǎn)最佳地開關(guān)IGBT。另外，如果直接串聯(lián)或并聯(lián)連接IGBT模塊，對dveE/dt或die/dt的控制使得能夠進(jìn)行對稱的電壓或電流的共享。調(diào)節(jié)IGBT的開關(guān)速度的簡單且常見的方式是將附加的無源元件插入到電路中。附加的柵極電阻Re使柵極電流減小，并且因此也使電流斜率和電壓斜率二者減小，額外的密勒電容Cee使(Ivra/dt降低,添加的柵極-發(fā)射極電容Cee使di。/dt減慢。該方法通常由于多于所需的柵極電荷量而導(dǎo)致過度的開關(guān)損耗或者導(dǎo)致增加的延遲以及柵極驅(qū)動(dòng)損耗。為避免附加的柵極驅(qū)動(dòng)損耗，可以使用前饋柵極電壓形狀生成器[I]來調(diào)節(jié)di。/dt。但是，在該方法中電壓斜率的可控性較小。在開關(guān)瞬變期間影響柵極電流的進(jìn)一步的可能性是例如可切換或可調(diào)節(jié)的柵極電阻器、電流源/宿(sink)或柵極電壓。因?yàn)檫@種具有可調(diào)節(jié)的輸出級(jí)的柵極驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)必須確保在SOA內(nèi)的操作，例如針對所有操作條件(變化的Tj, ic, vCE)受限的dic/dt和dvra/dt，所以對于大多數(shù)操作點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)期望的最佳電流斜率和電壓斜率，從而導(dǎo)致增加的開關(guān)損耗。另外，半導(dǎo)體的系統(tǒng)狀態(tài)，例如從電流瞬變至電壓瞬變的轉(zhuǎn)變以及相反的轉(zhuǎn)變，必須在附加的復(fù)雜電路中被最精確地檢測出，從而能夠獨(dú)立地調(diào)節(jié)die/dt和dveE/dt。缺少對IGBT的非線性和對操作點(diǎn)的依賴性的補(bǔ)償是所有這些開環(huán)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的進(jìn)一步以及主要的缺點(diǎn)。IGBT的跨導(dǎo)gm實(shí)際上隨著柵極電壓&而變化，并且結(jié)溫Tj以及電容值Cfc和Cec兩者取決于施加的電壓，特別是密勒電容。因此通過開環(huán)方法，不能獲得準(zhǔn)確限定且恒定的電流斜率和電壓斜率。因此，應(yīng)用帶反饋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更精確的控制。由于簡單且高帶寬的測量電路，借助于dic/dt和dvCE/dt控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)關(guān)于模擬控制帶寬的最佳性能，易于生成恒定的參考值和簡單的控制放大器級(jí)。提出了僅dic/dt控制的不同實(shí)現(xiàn)或者針對導(dǎo)通或關(guān)斷期間的電流或電壓斜率控制的單獨(dú)的解決方案[2]。在[3]中提出了一種導(dǎo)通和關(guān)斷dic/dt和dvCE/dt控制的全面的方案。由于通過大量雙極晶體管的實(shí)現(xiàn)以及對控制回路的有源的檢測和選擇，所以性能被限制到200Α/μ s和 IkV/μ S。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種驅(qū)動(dòng)方法及實(shí)現(xiàn)該方法的驅(qū)動(dòng)器電路，以緩解上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的通過以獨(dú)立權(quán)利要求中所陳述的內(nèi)容為特征的方法及電路來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中公開。本發(fā)明基于如下思想:使用單個(gè)的控制柵控元件的die/dt和dvra/dt兩者的PI控制器。由于導(dǎo)通和關(guān)斷過程的性質(zhì)，不是集電極電流就是集電極-發(fā)射極電壓每次改變，從而使得能夠使用僅一個(gè)PI控制器。本發(fā)明的有源柵極驅(qū)動(dòng)提供了使用簡單硬件實(shí)現(xiàn)的高度動(dòng)態(tài)控制。對于硬件實(shí)現(xiàn)，只需要簡單的測量電路、在整個(gè)開關(guān)操作期間的恒定參考信號(hào)和一個(gè)單個(gè)的控制放大器。由于從dic/dt控制至dvo/dt控制的自然狀態(tài)轉(zhuǎn)換和相反的轉(zhuǎn)換，因此在提供最大模擬控制帶寬的開關(guān)瞬態(tài)期間不需要控制回路的有源改變。通過本發(fā)明，可以使用簡單的結(jié)構(gòu)來控制集電極電流的變化率和集電極-發(fā)射極電壓的變化率。受控制的變化率確保了與高變化率或過度損耗相關(guān)的問題得以處理。


下面，將參照附圖借助于優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，在附圖中:圖1示出了針對a)導(dǎo)通和b)關(guān)斷的感應(yīng)開關(guān)瞬態(tài)的示意性電流和電壓波形；圖2示出了結(jié)合的電流和電壓斜率控制的框圖；圖3示出了有源柵極驅(qū)動(dòng)的示意圖的示例；圖4示出了削波電路的示意圖的示例；圖5示出了針對不同的負(fù)載電流在導(dǎo)通期間測量的集電極電流i。、集電極-發(fā)射極電壓Vce和柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電壓；圖6示出了針對不同的電壓斜率在導(dǎo)通期間測量的集電極電流i。和集電極-發(fā)射極電壓Vce ;以及圖7示出了針對不同的電流斜率在導(dǎo)通期間測量的集電極電流i。和集電極-發(fā)射極電壓Vce。
具體實(shí)施例方式如圖1中所描繪和表I中所描述的那樣，IGBT的感應(yīng)(硬)開關(guān)瞬態(tài)的主要特征在于，對于導(dǎo)通和關(guān)斷操作，電流變化和電壓變化的區(qū)段總是彼此接替。
權(quán)利要求
1.一種用于控制柵控元件(30)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路包括適于接收輸入?yún)⒖夹盘?hào)(vMf,d/dt)并且控制所述柵控元件的柵極電壓的PI控制器(31)，其特征在于，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路還包括: 用于所述PI控制器(31)的第一反饋回路，所述第一反饋回路適于根據(jù)所述柵控元件(30)的集電極-發(fā)射極電壓(Vra)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)來提供反饋，所述第一反饋回路包括第一增益(kv), 用于所述PI控制器(31)的第二反饋回路，所述第二反饋回路適于根據(jù)所述柵控元件(30)的集電極電流(ic)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)來提供反饋，所述第二反饋回路包括第二增益(kj，其中 所述第二反饋回路包括削波電路(32)，所述削波電路適于當(dāng)所述集電極電流的所述時(shí)間導(dǎo)數(shù)為負(fù)時(shí)，在所述柵控元件(30)導(dǎo)通期間修改所述第二反饋回路中的反饋信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路還包括適于使用所述PI控制器(31)的柵極電流控制回路，所述柵極電流控制回路接收來自所述柵極電流的反饋信號(hào)，并且能夠連接以在導(dǎo)通延遲和關(guān)斷延遲期間控制所述柵極電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述柵極驅(qū)動(dòng)電路還包括緩沖電路(BUF)，用于放大來自所述PI控制器的輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述柵控元件(30)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述削波電路(32)包括用于使能所述削波電路的受控元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，所述削波電路一旦被使能，就限制所述輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，通過使用所述第一反饋回路中的電容器來將所述集電極-發(fā)射極電壓的所述時(shí)間導(dǎo)數(shù)確定為電壓電平，所述電容器響應(yīng)于所述集電極-發(fā)射極電壓的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，根據(jù)已知電感上的電壓、優(yōu)選地根據(jù)所述發(fā)射極的寄生焊線電感上的電壓來將所述集電極電流的所述時(shí)間導(dǎo)數(shù)確定為電壓電平。
8.—種用于通過使用PI控制器(31)來控制柵控元件(30 )的方法，所述PI控制器(31)適于接收輸入?yún)⒖夹盘?hào)(vMf, d/dt)并且控制所述柵控元件的柵極電壓，其特征在于，所述方法: 將所述輸入?yún)⒖夹盘?hào)(vMf, d/dt)提供給所述PI控制器， 根據(jù)所述柵控元件(30)的集電極-發(fā)射極電壓(Vra)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)獲得用于所述PI控制器(31)的第一反饋信號(hào)， 根據(jù)所述柵控元件(30)的集電極電流(i。)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)獲得用于所述PI控制器(31)的第二反饋信號(hào)， 當(dāng)所述集電極電流的所述時(shí)間導(dǎo)數(shù)為負(fù)時(shí)，在所述柵控元件(30)的導(dǎo)通期間修改所述第二反饋回路中的所述反饋信號(hào)。
全文摘要
一種用于控制柵控元件(30)的柵極驅(qū)動(dòng)電路及方法，該柵極驅(qū)動(dòng)電路包括PI控制器(31)，所述PI控制器適于接收輸入?yún)⒖夹盘?hào)(vref，d/dt)并控制柵控元件的柵極電壓。該柵極驅(qū)動(dòng)電路還包括用于PI控制器(31)的第一反饋回路，適于根據(jù)柵控元件(30)的集電極-發(fā)射極電壓(vCE)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)來提供反饋，第一反饋回路包括第一增益(kv)；用于PI控制器(31)的第二反饋回路，適于根據(jù)柵控元件(30)的集電極電流(iC)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)來提供反饋，第二反饋回路包括第二增益(ki)，其中，第二反饋回路包括削波電路(32)，該削波電路適于當(dāng)集電極電流的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為負(fù)時(shí)，在柵控元件(30)的導(dǎo)通期間修改第二反饋回路中的反饋信號(hào)。
文檔編號(hào)H03K17/567GK103208984SQ20131000996
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者亞尼克·洛布西格爾, 約翰·沃爾特·科拉爾, 馬蒂·萊蒂寧 申請人:Abb研究有限公司