本公開內(nèi)容涉及一種半導體開關(guān)元件的控制裝置，且更具體地涉及一種當操作向其施加幾千伏特電壓的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)型開關(guān)(例如用于各種工業(yè)應用的電機、逆變器或轉(zhuǎn)換器)時檢測開關(guān)元件的操作狀態(tài)且當檢測到操作狀態(tài)驅(qū)動該開關(guān)元件時操作至少一個柵極驅(qū)動器的控制裝置。

背景技術(shù)：

通常，用于工業(yè)應用的IGBT型開關(guān)元件可以基于特性(例如接通延遲時間、斷開延遲時間、在25到100攝氏度(℃)的溫度范圍內(nèi)在集電極端子處流動的電流量等)來分類。此外，用于工業(yè)應用的IGBT型開關(guān)元件的最流行VCE處于600伏特到1200伏特的電壓范圍，且存在使用3300伏特的VCE的趨勢。

即，當IGBT型開關(guān)元件用在工業(yè)設(shè)備(例如電機、逆變器或轉(zhuǎn)換器)中時，開關(guān)元件的集電極端子及其發(fā)射極端子之間的電壓達到幾千伏特。此外，在集電極端子處流動的電流量可以達到幾百安培(A)。

圖1示出典型半導體開關(guān)元件的控制裝置。

這里，用戶向接口(未示出)輸入用于操作開關(guān)元件的控制指令，且該接口對輸入信息進行編碼。此后，編碼控制信號通過光信號被發(fā)送到用于控制開關(guān)元件的控制單元120。此時，在光信號中包含的編碼控制信號通過光隔離器110被轉(zhuǎn)換成電信號。包含控制信息的光信號被轉(zhuǎn)換成電信號，使得可以減小不必要電氣噪聲或者兩個系統(tǒng)之間的短路可能性。

經(jīng)轉(zhuǎn)換的電氣信號被發(fā)送到控制單元120，且控制單元120可以實現(xiàn)用于對編碼信號進行解碼以基于解碼信號來生成控制信號的邏輯電路。并且，基于解碼信號的控制信號可以被輸出到柵極驅(qū)動器130。柵極驅(qū)動器130基于接收到的輸入信號而將信號(電流)發(fā)送到開關(guān)元件140的柵極端子，以激活開關(guān)元件140的開關(guān)操作。

然而，存在問題：在開關(guān)元件的集電極端子處流動的用于開始接通和斷開操作的電流(IC)根據(jù)具有這種IGBT型開關(guān)元件的集電極端子和發(fā)射極端子的更寬電壓范圍的電壓VCE而改變。此外，IGBT型開關(guān)元件的開關(guān)操作受其內(nèi)部電阻器和電容器的性質(zhì)的影響，并且相同的IGBT型開關(guān)元件可以根據(jù)他們被設(shè)置的環(huán)境(溫度)而具有彼此不同的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，為了解決上述問題，本公開內(nèi)容在于提供一種柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置，其包括多個柵極驅(qū)動器，其當高電壓被施加于半導體開關(guān)元件時輸出與高電壓對應的柵極信號。

此外，本公開內(nèi)容在于給用戶提供施加于半導體開關(guān)元件的電壓、輸入或輸出的電流量或者半導體開關(guān)元件的溫度信息和執(zhí)行這種信息被反映到的開關(guān)操作的電路。

根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例，一種驅(qū)動半導體開關(guān)元件的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置包括：柵極驅(qū)動器單元，其被配置為輸出控制信號到所述半導體開關(guān)元件；以及控制單元，其被配置為通過操作配置所述柵極驅(qū)動器單元的至少一個柵極驅(qū)動器來控制所述半導體開關(guān)元件的操作，其中，所述控制單元可以基于所述半導體開關(guān)元件的預設(shè)操作范圍和所述半導體開關(guān)元件的檢測到的操作狀態(tài)來操作所述至少一個柵極驅(qū)動器。

此時，半導體開關(guān)元件可以包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)型開關(guān)元件。

此外，根據(jù)本公開內(nèi)容的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置還包括連接到所述控制單元的接口，其中，所述接口可以接收關(guān)于所述半導體開關(guān)元件的操作的輸入信息或者可以根據(jù)接收到的輸入信息給用戶提供所述半導體開關(guān)元件的操作狀態(tài)。

此時，所述接口可以接收要施加到所述半導體開關(guān)元件的電壓、所述柵極驅(qū)動器的產(chǎn)品信息、所述半導體開關(guān)元件的產(chǎn)品信息、連接到柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置的半導體開關(guān)裝置的數(shù)量、電力轉(zhuǎn)換所需要的半導體開關(guān)元件的開關(guān)頻率以及所述半導體開關(guān)元件的柵極端子的特定電阻中的至少一個信息。

此時，還包括連接到所述控制單元的測量單元，其中，所述測量單元可以測量被施加到所述半導體開關(guān)元件的電壓、輸入到所述半導體開關(guān)元件的電流或者從所述半導體開關(guān)元件輸出的電流、以及所述半導體開關(guān)元件的溫度，且可以向所述控制單元或所述接口提供測量信息中的至少一個。

此時，所述控制單元可以基于關(guān)于所述半導體開關(guān)元件的操作的并且由用戶輸入的編程來生成邏輯配置數(shù)據(jù)，或者可以根據(jù)所生成的邏輯配置數(shù)據(jù)來實現(xiàn)特定邏輯電路。

此時，還包括連接到所述控制單元的絕緣單元，其中，所述絕緣單元可以阻止直流或交流在所述控制單元和所述柵極驅(qū)動器單元之間的流動，且可以將從所述控制單元輸出的控制信號遞送到所述柵極驅(qū)動器單元。

此時，配置柵極驅(qū)動器單元的柵極驅(qū)動器中的全部或一些可以通過公共輸出端子將控制信號輸出到半導體開關(guān)元件。

此時，所述控制單元可以控制所述柵極驅(qū)動器中的全部或一些的組合，以完成從其組合輸出的信號的總和作為所述半導體開關(guān)元件的所述柵極端子的輸入信號。

此時，柵極驅(qū)動器單元的柵極驅(qū)動器中每一個可以經(jīng)由所述絕緣單元從所述控制單元接收多個信號以通過所述多個信號的組合輸出輸出信號。

此時，柵極驅(qū)動器單元的柵極驅(qū)動器中每一個可以具有相同性能或相同特性。

此時，還包括連接到所述半導體開關(guān)元件的鉗位二極管，其中，所述鉗位二極管可以連接到半導體開關(guān)元件的柵極端子，以使施加到其的電壓能夠維持恒定。

此時，還包括連接到所述柵極驅(qū)動器單元的直流(DC)/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器可以從外部電源接收電力以將所述電力輸出到與所述半導體開關(guān)元件的操作有關(guān)的模塊中的每一個。

根據(jù)本公開內(nèi)容，提供了其中多個柵極驅(qū)動器被包括以操作半導體開關(guān)元件使得當高電壓被施加到其時與高電壓對應的柵極信號被輸出到半導體開關(guān)元件的效果。

此外，根據(jù)本公開內(nèi)容，被施加于半導體開關(guān)元件的電壓、輸入或者輸出的電流量和半導體開關(guān)元件的溫度信息被測量，使得有效執(zhí)行這種測量信息被反映到的開關(guān)操作。

附圖說明

圖1是示出典型絕緣柵雙極晶體管(IGBT)型柵極驅(qū)動器控制裝置的示意圖。

圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的半導體開關(guān)元件的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的示意圖。

圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的接口290的第一操作的示意圖。

圖4是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的接口290的第二操作的示意圖。

圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的包括柵極驅(qū)動裝置的功率半導體模塊的示意圖。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖詳細描述本文所公開的實施例，且不管給出參考符號如何，相同或類似組件指代相同參考符號，且將省略其重復描述。

此外，將參考附圖更詳細描述與本公開內(nèi)容有關(guān)的半導體型開關(guān)元件的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置。在下面描述中，關(guān)于組件的術(shù)語“模塊”和“單元”僅通過考慮描述本公開內(nèi)容的舒適而給出，且這些術(shù)語自身不表示特定含義或功能。因此，應當理解的是，可以交換地使用術(shù)語“模塊”和“單元”。

在下文中，將參考附圖詳細描述根據(jù)本公開內(nèi)容的優(yōu)選實施例。

圖2示出根據(jù)本公開內(nèi)容的包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)型柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的功率半導體模塊20。

根據(jù)本公開內(nèi)容的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200可以包括用于輸出控制信號到半導體開關(guān)元件300的柵極驅(qū)動器單元250和用于檢測開關(guān)元件300的操作狀態(tài)且基于檢測到的操作狀態(tài)來驅(qū)動配置柵極驅(qū)動器單元250的至少一個驅(qū)動器以控制開關(guān)元件300的開關(guān)操作的控制單元220。

作為本公開內(nèi)容的一個實施例，控制單元220可以基于開關(guān)元件的預定操作范圍和檢測到的操作狀態(tài)來驅(qū)動至少一個柵極驅(qū)動器。

控制單元220可以通過接口290從用戶接收開關(guān)元件300的操作信息，且向用戶提供開關(guān)元件300的操作狀態(tài)。

接口290用作連接到用戶的端子的所有外部裝置的通道。用戶可以輸入用戶想要通過接口290發(fā)送到柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的信息。

即，接口290可以通過將用戶的端子和柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200彼此連接的電路來實現(xiàn)。

可替換地，接口290可以通過鍵盤、彈片開關(guān)、觸摸板、滾輪、開關(guān)中的一個實現(xiàn)為柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的一部分。此外，用戶可以在不使用端子的情況下通過接口290將信息直接輸入到柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200。

在前者情況或者后者情況中，用戶可以通過通過接口290直接輸入數(shù)據(jù)信息或者通過觸摸鍵盤等來將關(guān)于開關(guān)元件300的控制信號的頻率、關(guān)于開關(guān)元件300的控制信號的波長或者與關(guān)于開關(guān)元件300的正半波長分量的開始時間或結(jié)束時間有關(guān)的信息發(fā)送到控制單元220。

控制單元220輸出邏輯配置數(shù)據(jù)，其反映通過預設(shè)編程由用戶輸入的信息。此后，為了根據(jù)邏輯配置數(shù)據(jù)實現(xiàn)特定邏輯電路，可以組合軟件實現(xiàn)和硬件實現(xiàn)。

利用軟件實現(xiàn)，本文中要描述的諸如程序和功能之類的實施例可以由單獨軟件模塊來實現(xiàn)。

軟件模塊中的每一個可以執(zhí)行本文中要描述的一個或者多個功能和操作。軟件代碼可以通過以適當編程語言寫成的軟件應用實現(xiàn)。軟件代碼可以存儲在存儲器(未示出)中，且可以由控制單元220執(zhí)行。

利用硬件實現(xiàn)，控制單元220包括專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理器(DSP)、數(shù)字信號處理裝置(DSPD)、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、處理器、控制器、微控制器、微處理器和用于執(zhí)行其它功能的電氣單元中的至少一個。

通過這種組合配置，控制單元220從用戶接收關(guān)于開關(guān)元件300的信息、配置柵極驅(qū)動器單元250的柵極驅(qū)動器的信息以及施加于開關(guān)元件300的電壓或開關(guān)頻率等用戶想要的信息。此后，控制單元220可以配置用于執(zhí)行開關(guān)元件300的開關(guān)操作的特定邏輯電路或者可以向柵極驅(qū)動器單元250發(fā)送操作信息。

作為本公開內(nèi)容的一個實施例，控制單元220可以計算與由開關(guān)元件300所需要的柵極電流信號的最小振幅或者用于驅(qū)動開關(guān)元件300所需要的柵極驅(qū)動器的數(shù)量有關(guān)的信息，且通過接口290向用戶提供信息。

根據(jù)本公開內(nèi)容的測量單元240測量被施加到半導體開關(guān)元件300的電壓、輸入到半導體開關(guān)元件300的集電極端子或在其發(fā)射極端子處流動的電流量以及在半導體開關(guān)元件300處測量的溫度中的至少一個。此后，測量結(jié)果可以被發(fā)送到控制單元220或接口290。

作為本公開內(nèi)容的一個實施例，用戶可以通過發(fā)送的信息來更新之前輸入的、與控制信號的頻率、控制信號的波長或者控制信號的正半波長分量的開始時間或結(jié)束時間有關(guān)的信息，以通過接口290將其提供給控制單元220。

控制單元220可以掌握由測量單元240測量的信息和由用戶估計的輸出之間的誤差以計算用于減小該誤差到最小值的輸入數(shù)據(jù)。

計算出的誤差或計算出的輸入數(shù)據(jù)可以提供給用戶?？刂茊卧?20可以重新配置用于減小誤差的特定邏輯電路或者將更新的操作信息發(fā)送到柵極驅(qū)動器單元250。

利用這種操作，存在其中實際開關(guān)裝置的內(nèi)部/外部特性可以被反映到輸入到開關(guān)元件300的柵極信號的效果，由此準確實現(xiàn)用戶想要的開關(guān)元件300的開關(guān)操作。

典型柵極驅(qū)動裝置通過柵極驅(qū)動器單向地驅(qū)動連接到其的開關(guān)元件。然而，控制單元220可以通過從測量單元240提供的信息實時準確控制開關(guān)元件300的操作。

在控制單元220和接口290之間布置的光隔離器210阻止被施加到柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200和接口290的電路系統(tǒng)中的每一個的直流和不必要的交流的流動。因此，存在其中可以沒有噪聲遞送在控制單元220和接口290之間發(fā)送和接收信息的效果。

參照圖3和圖4，將描述接口290從用戶具體接收什么信息且此外它向用戶顯示什么信息和什么方式。

控制單元220電連接到柵極驅(qū)動器單元250。

作為本公開內(nèi)容的一個實施例，控制單元220接收被施加到開關(guān)元件300的電壓和關(guān)于柵極驅(qū)動器單元250的信息。然而，可以計算開關(guān)元件300的開關(guān)所需的柵極驅(qū)動器的數(shù)量或者供應給開關(guān)元件300的柵極端子的電流量。

配置柵極驅(qū)動單元250的多個柵極驅(qū)動器集成電路(IC)接收從控制單元220輸出的信號。此時，從控制單元220輸出的信號可以通過數(shù)字隔離器230。

數(shù)字隔離器230可以阻止被施加到控制單元220和柵極驅(qū)動單元250的電路系統(tǒng)中的每一個的直流和不必要的交流的流動，且可以防止其中電路系統(tǒng)中的每一個被接地以發(fā)生短路的危險。

控制單元220和短路保護電路單元260彼此電連接，且短路保護電路單元260可以識別在IGBT開關(guān)元件處流動的過電流，以將識別出的信息發(fā)送到控制單元220。

控制單元220可以確定過電流是否為預定的最大允許電流(短路電流)，且然后發(fā)送與其對應的控制信號，由此保護開關(guān)元件300免于短路電流。

柵極驅(qū)動器單元250的輸出端子連接到IGBT開關(guān)元件300的柵極端子，使得開關(guān)元件300可以基于輸出控制信號來執(zhí)行接通或斷開操作。

這里，柵極驅(qū)動單元250可以包括多個柵極驅(qū)動器IC，且可以提供用于控制開關(guān)元件300的開關(guān)操作的電流量。

例如，當單個柵極驅(qū)動器用在幾千伏特被施加到的半導體開關(guān)元件中時，可以發(fā)生可能輸出到半導體開關(guān)元件的電流量未達到其控制所需的電流量。

另一方面，當柵極驅(qū)動器單元250根據(jù)本公開內(nèi)容而配置有多個柵極驅(qū)動器IC時，從多個柵極驅(qū)動器IC中的全部或一些輸出的電流量(柵極信號)可以靈活組合以輸出用于開關(guān)元件300的操作的電流量。因此，即使使用典型小型柵極驅(qū)動器，可以控制幾百到幾千伏特被施加到的用于工業(yè)應用的各種半導體裝置。

柵極驅(qū)動器單元250可以被配置有具有相同類型的n個柵極驅(qū)動器。在這種配置的效果中，當接收輸入信息(例如開關(guān)元件300的所施加的電壓、其產(chǎn)品的數(shù)量或者其總數(shù))時，控制單元220可以操作輸出開關(guān)裝置300的柵極端子所需的供應電流量所要的m個柵極驅(qū)動器。

此外，柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200可以包括直流(DC)/DC轉(zhuǎn)換器280，其生成每個模塊(例如控制單元220、數(shù)字隔離器230、測量單元240、柵極驅(qū)動器單元250等)所需的電力。

換言之，DC/DC轉(zhuǎn)換器280可以從單個外部電源接收電力，以輸出供應給與開關(guān)元件300的操作有關(guān)的每個模塊的多個電力。

此外，作為本公開內(nèi)容的一個實施例，柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200還可以包括鉗位二極管270。該鉗位二極管270可以包括用于將半導體型開關(guān)元件300的集電極連接到其柵極的VCG鉗位二極管271和用于將半導體型開關(guān)元件300的柵極連接到其發(fā)射極的VGE鉗位二極管272。

鉗位二極管270可以連接到開關(guān)元件300的柵極端子，以使施加到開關(guān)元件300的電壓能夠維持恒定。

圖3示出根據(jù)本公開內(nèi)容的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的第一操作。

作為本公開內(nèi)容的一個示例，控制單元220可以通過接口290從用戶接收用于操作開關(guān)元件300的輸入信息。

換言之，接口290可以接收要施加到開關(guān)元件300的電壓310、在柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200處安裝的柵極驅(qū)動器的產(chǎn)品信息320、開關(guān)元件300的產(chǎn)品數(shù)量330、連接到柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的開關(guān)元件300的數(shù)量340、電力轉(zhuǎn)換所需的開關(guān)元件300的開關(guān)頻率350以及具有開關(guān)元件300的柵極的特定電阻360的至少一個信息。

如查看圖2，信息可以被用作用于通過控制單元220有效控制開關(guān)元件300的輸入信息。

圖4是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200的第二操作的示意圖。

作為本公開內(nèi)容的一個示例，控制單元220可以將基于由用戶輸入的信息來計算的或者檢測到的信息通過接口290提供給用戶。

作為本公開內(nèi)容的一個示例，基于圖3中示出的用戶的輸入信息，控制單元220可以顯示可操作柵極驅(qū)動器通道410、施加到開關(guān)元件300的電壓420、用于執(zhí)行由用戶所要的開關(guān)操作的開關(guān)元件300的柵極端子所需要的電流量、開關(guān)元件300的操作所需要的柵極驅(qū)動器單元250的柵極驅(qū)動器的數(shù)量以及通過接口290在開關(guān)元件300處測量的電荷量中的至少一個信息。

圖5示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的包括柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置的功率半導體模塊。

這里，配置從模塊單元540的多個從模塊541,542,543,544,545和546中的每一個可以包括圖2中示出的柵極驅(qū)動器的驅(qū)動裝置200和半導體型開關(guān)元件300。此外，多個從模塊541,542,543,544,545和546可以由主模塊510控制。

作為本公開內(nèi)容的一個實施例，主模塊510可以包括具有與圖2中示出的接口290的那些類型的結(jié)構(gòu)和功能的接口511、與圖2的光隔離器類似的光隔離器512以及服務圖2的控制單元220的功能的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制邏輯513。

FPGA控制邏輯513可以基于通過接口511輸入的信息來生成邏輯配置數(shù)據(jù)或者根據(jù)生成的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)特定電路。輸入信息可以包括與多個從模塊541,542,543,544,545和546中的全部或一些有關(guān)的信息。

作為本公開內(nèi)容的一個實施例，用戶可以通過在主模塊510中包括的接口511輸入信息，以操作多個從模塊541,542,543,544,545和546中的全部或一些。

這里，通過光隔離器512在接口511和FPGA控制邏輯513之間的通信方法可以與圖2中示出的在接口290和控制單元220之間的那個類似。

在輸入通過接口511提供的輸入信息之后，F(xiàn)PGA控制邏輯513可以向用戶提供與選定驅(qū)動驅(qū)動器有關(guān)的輸出信息或者驅(qū)動選定模塊。

這里，F(xiàn)PGA控制邏輯513直接驅(qū)動選定驅(qū)動裝置或者向選定驅(qū)動電路中的控制單元(未示出)提供從用戶提供的輸入信息以間接驅(qū)動選定模塊。

因此，它可以減小用戶一個接一個控制多個從模塊541,542,543,544,545和546的不便性，由此提供其中提高控制效率的效果。

本公開內(nèi)容包括多個柵極驅(qū)動器，以操作半導體開關(guān)元件，使得它可以提供其中當高電壓被施加到其時與高電壓對應的柵極信號被輸出到半導體開關(guān)元件的效果。

此外，通過測量施加到半導體開關(guān)元件的電壓、輸入或者輸出的電流量和半導體開關(guān)元件的溫度信息，可以有效執(zhí)行這種測量信息被反映到的開關(guān)操作。