本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體部件的控制，更具體地涉及在功率半導(dǎo)體部件的開關(guān)期間限制開關(guān)瞬變(switching transient)。

背景技術(shù)：

功率晶體管，例如IGBT和MOSFET，通常在功率電子器件中用作開關(guān)部件。由于功率晶體管用作開關(guān)，它們應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⑵錉顟B(tài)從阻斷狀態(tài)快速改變到完全導(dǎo)通狀態(tài)，反之亦然，以最小化開關(guān)期間的功率損耗。

盡管快速切換高電流的能力是開關(guān)部件的期望特性，但是快速地增加和減小電流和電壓可能引起某些問題，特別是與電感負(fù)載(其中電流被從一個部件強(qiáng)制到另一部件)相關(guān)地快速增加和減小電流和電壓時。

已知的問題可以結(jié)合半橋配置來解釋，在所述半橋配置中分別具有反并聯(lián)續(xù)流二極管的兩個開關(guān)部件在具有DC鏈路電壓的DC鏈路之間串聯(lián)連接?？紤]電流流過開關(guān)部件的下部并且期望將DC鏈路的正電壓連接到負(fù)載的情況。承載電流的開關(guān)部件通過施加合適的柵極電壓而關(guān)斷，并且部件兩端的電壓增加，同時電流仍然流過部件。一旦下部部件上的電壓可以正向偏置上部續(xù)流二極管，下部開關(guān)部件的電流迅速減小。由于開關(guān)晶體管電流斜率為負(fù)，在換向路徑的電感中感應(yīng)的電壓增加了開關(guān)部件上的電壓。開關(guān)部件上的最大電壓是DC鏈路電壓U_DC和在換向路徑雜散電感L_stray中感應(yīng)的電壓u_ind之和。

在等式(1)中，在關(guān)斷期間晶體管的符號di/dt為負(fù)，因此感應(yīng)電壓尖峰u_ind的極性為正。在過載或短路情況下關(guān)斷晶體管時，限制負(fù)di/dt尤其重要。

此外，在開關(guān)部件導(dǎo)通期間的正電流斜率影響半橋配置中的互補(bǔ)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流的大小。

反向恢復(fù)電流可以由等式(2)表示，其中Q_rr是存儲在二極管中的電荷。

因此，電流變化率以上述方式直接影響反向恢復(fù)電流的大小和電壓過沖。為了在安全操作區(qū)域中安全地操作部件并且為了使損耗最小化，期望限制開關(guān)部件電流的變化率。

為了控制晶體管di/dt，必須以某種方式獲得反饋信號。一種獲得di/dt反饋信號的方法利用與晶體管串聯(lián)的小電感。功率模塊的輔助發(fā)射極和功率發(fā)射極之間的寄生電感可以用于該目的，如US 8710876B2中所公開的。電感上的電壓與電流時間導(dǎo)數(shù)成比例，因此不需要額外的微分電路來產(chǎn)生所需的信號。

使用功率模塊寄生電感作為di/dt傳感元件有一些困難。自然地，需要輔助發(fā)射器連接以能夠使用該方法。寄生電感的實(shí)際值取決于電源模塊的內(nèi)部布局。因此，電感可以在具有不同電流額定值的模塊或不同制造商之間變化，并且每個模塊類型必須單獨(dú)表征。通常，寄生電感在半橋模塊中的上支路和下支路中也具有不同的值。一個問題是感測寄生電感上的電壓需要與主電路的電流連接。這防止了自由選擇控制信號參考電壓。也不可能增加靈敏度，即寄生電感的值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種柵極驅(qū)動電路以解決上述問題。本發(fā)明的目的通過柵極驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)，該柵極驅(qū)動電路的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求中所述的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中公開。

本發(fā)明基于使用感應(yīng)耦合(inductive coupling)來提供來自功率半導(dǎo)體部件的主電流路徑的反饋的想法。具有感應(yīng)耦合的反饋電路連接到已知的參考電位，并且反饋電路根據(jù)電流的變化率向柵極驅(qū)動器提供電壓。

由于反饋電路不與主電路電流連接，因此可以自由選擇電感耦合元件的參考電位。參考電位的選擇有助于設(shè)計簡單的反饋結(jié)構(gòu)。此外，可以通過調(diào)節(jié)電感耦合元件中的匝數(shù)來調(diào)節(jié)來自電流變化率的反饋的靈敏度。電感耦合元件是線圈，并且優(yōu)選地是羅柯夫斯基線圈或耦合電感器。

利用本發(fā)明，可以通過基于獲得的反饋修改切換期間的柵極電壓來控制諸如IGBT和MOSFET的功率晶體管的切換行為。

附圖說明

在下文中，將參照附圖通過優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中：

圖1示出了本發(fā)明的電路的基本原理；

圖2，圖3，圖4和圖5示出了本發(fā)明的不同實(shí)施例；以及

圖6示出了利用本發(fā)明的實(shí)施例所獲得的測量結(jié)果。

具體實(shí)施方式

圖1示出了本發(fā)明的柵極驅(qū)動電路的基本結(jié)構(gòu)。該電路包括可連接到正輔助電壓V+和負(fù)輔助電壓V-的柵極驅(qū)動器A1。柵極驅(qū)動器接收用于控制功率半導(dǎo)體部件V1的控制信號Vc。本發(fā)明的柵極驅(qū)動電路包括包含電感耦合元件T1的反饋電路。

反饋電路的一端連接到已知的參考電位VREF，反饋電路的另一端連接到柵極驅(qū)動器A1。

根據(jù)本發(fā)明，電感耦合元件T1感應(yīng)耦合到功率半導(dǎo)體部件的主電流路徑。執(zhí)行感應(yīng)耦合以向柵極驅(qū)動器提供反饋信號，并且反饋信號的值基于功率半導(dǎo)體部件的電流的變化率。

在圖1的電路中，輸入到柵極驅(qū)動器A1的控制信號Vc提供開關(guān)部件V1的開(ON)/關(guān)(OFF)控制。柵極驅(qū)動器放大所接收的控制信號并且用于提供對半導(dǎo)體部件的可靠控制。輸入的控制信號被放大，使得柵極驅(qū)動器的輸出可以獲得在正和負(fù)輔助電壓之間的值。正和負(fù)輔助電壓參考作為開關(guān)部件的發(fā)射極電位的電位COM。因此，在圖1的示例中，柵極驅(qū)動器能夠向受控開關(guān)部件的柵極產(chǎn)生雙極控制電壓。

在圖1的示例中，將控制信號Vc與反饋電壓VFB進(jìn)行比較。電路的操作成當(dāng)控制信號Vc為高時，柵極驅(qū)動器控制到受控部件的柵極的正輔助電壓。如果在開關(guān)部件的接通期間，通過開關(guān)部件的電流快速增加，則反饋電路向柵極驅(qū)動器提供正反饋電壓。在所獲得的反饋電壓高于某一極限的情況下，柵極驅(qū)動器降低其輸出電壓，使得部件的柵極電壓降低。降低的柵極電壓限制了通過部件的電流的變化率。一旦電流的變化率受到限制，反饋電壓減小，并且柵極驅(qū)動器可以向受控部件的柵極提供完全導(dǎo)通電壓。

在關(guān)斷過程中的操作類似。如果電流的減小速率高于某一極限，則由柵極驅(qū)動器接收的反饋電壓為負(fù)。負(fù)反饋電壓操作以增加?xùn)艠O電壓，從而限制通過部件的關(guān)斷電流的減小速率。因此，在本發(fā)明中，從電流變化率di/dt獲得反饋。感應(yīng)到電感耦合元件(例如羅柯夫斯基線圈或耦合電感器)的電壓與通過部件的電流的導(dǎo)數(shù)成線性比例。因此，利用電感部件的線圈匝數(shù)以及參考電位VREF的選擇，可以選擇最大可允許電流變化率，使得當(dāng)超過最大可允許變化率時，通過可操作地連接到柵極驅(qū)動電路的柵極驅(qū)動器的電路來限制變化率。

圖2示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中控制信號用來自電感反饋元件的反饋進(jìn)行修改。在圖2中，控制信號Vc被接收到推挽晶體管對V12、V13的柵極。推挽晶體管對以已知的方式用作控制信號的柵極驅(qū)動器的放大器。推挽晶體管對的輸出端通過柵極電阻器R11連接到受控半導(dǎo)體部件V11的柵極。

在圖2的電路中，來自電流變化率的反饋被引導(dǎo)到推挽晶體管對的基極端子。更具體地，電路包括與電感耦合元件串聯(lián)的雙極齊納二極管V14和與雙極齊納二極管串聯(lián)的第一電阻器R13。該反饋電路連接到形成推挽晶體管對的晶體管V12、V13的基極。該實(shí)施例還包括連接在控制信號輸入端和晶體管V12、V13的基極之間的第二電阻器R12。

開關(guān)部件V11以正電壓導(dǎo)通，并且諸如羅柯夫斯基線圈T11等電感反饋部件以這樣的方向纏繞：開關(guān)部件V11的正di/dt引起負(fù)電壓。雙極二極管V14的齊納電壓被選擇為最大允許di/dt處的控制電壓Vc和線圈電壓之和。在這種情況下，如果di/dt超過最大允許值，則齊納二極管V14開始導(dǎo)通，從而根據(jù)電阻器R12和R13之間的分壓降低晶體管V12和V13的基極電壓。因此，在開關(guān)部件導(dǎo)通期間，并且當(dāng)電流的變化率超過特定值時，形成從控制電壓Vc經(jīng)過第一和第二電阻器R12、R13和齊納二極管到電感耦合元件T11(如羅柯夫斯基線圈)的電流路徑。由于電阻器R12、R13之間的電阻分壓，通過所述路徑的電流降低了晶體管的基極的電位。由于晶體管V13的較低基極電壓，其將導(dǎo)通，且開關(guān)部件V11的柵極電壓降低，因此限制di/dt。

圖2的電路還可以用于限制當(dāng)電流降低時電流的變化率。當(dāng)關(guān)斷部件時，感應(yīng)到電感耦合元件的電壓是正的。一旦該正電壓超過齊納二極管V14的齊納電壓和施加到晶體管V12、V13的柵極的關(guān)斷控制信號Vc之和，齊納二極管開始導(dǎo)通，從而根據(jù)電阻器R12和R13之間的分壓增加晶體管V12和V13的基極電壓。電流沿相反方向上流過與導(dǎo)通相同的路徑，從而增加晶體管V12的基極電壓，增加開關(guān)部件V11的柵極電壓，從而減小負(fù)di/dt。

圖3示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，來自電感耦合元件的反饋電壓被引導(dǎo)到用作比較器的運(yùn)算放大器A21的負(fù)輸入。用于控制開關(guān)部件V21的控制電壓Vc被引導(dǎo)到比較器的正輸入。圖3的電路包括類似的推挽晶體管驅(qū)動器V22、V23，如圖2所示。

當(dāng)開關(guān)部件V21的di/dt為零時，運(yùn)算放大器A21的負(fù)輸入為開關(guān)部件V21發(fā)射極電位COM，其位于正輔助電壓V+與負(fù)輔助電壓V-之間。在開關(guān)部件V21發(fā)射極電位COM與正輔助電壓V+之間選擇控制信號的高狀態(tài)，以及在發(fā)射極電位COM與負(fù)輔助電壓V-之間選擇控制信號的低狀態(tài)。

控制信號的高狀態(tài)將增加V22的基極電壓，V22將導(dǎo)通從而將開關(guān)部件V21的柵極電壓驅(qū)動為高，并使開關(guān)部件V21導(dǎo)通?？刂菩盘柕牡蜖顟B(tài)將驅(qū)動晶體管V23的基極電壓為低，從而將IGBT V21的柵極電壓驅(qū)動為低，從而停止V21導(dǎo)通。

電感耦合元件(例如羅柯夫斯基線圈T21)以這種方式纏繞：使得IGBT V21的超過最大允許值的任何正di/dt將驅(qū)動A21的負(fù)輸入到高于控制電壓Vc高狀態(tài)的值，從而關(guān)斷IGBT V21直到di/dt被限制在所選值以下。IGBT V21的超過選定值的任何負(fù)di/dt值將驅(qū)動A21的負(fù)輸入到低于控制信號低狀態(tài)的值，從而使IGBT V21導(dǎo)通，直到di/dt再次被限制在所選值以下。在該實(shí)施例中，可以通過為控制信號選擇不同的高狀態(tài)值和低狀態(tài)值來設(shè)置最大正di/dt和最大負(fù)di/dt的不同值。

在圖3的實(shí)施例中，諸如羅柯夫斯基線圈或耦合電感器等電感耦合元件用于以改變參考電壓的形式提供反饋，所述參考電壓用于與控制電壓Vc相比較。當(dāng)所獲得的反饋電壓VFB超過控制電壓Vc的值時，運(yùn)算放大器的輸出改變其狀態(tài)，并且改變受控開關(guān)部件的柵極電壓以限制電流變化。

在圖4的實(shí)施例中，單獨(dú)的控制信號用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體部件，例如IGBT V31，并且柵極驅(qū)動器包括FET部件V32、V33。當(dāng)上控制信號CONTROL_U低于正電壓源V+時，F(xiàn)ET V32將導(dǎo)通，并且IGBT V31被控制為導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)上控制信號CONTROL_U處于正電壓源V+時，F(xiàn)ET V32不會影響IGBT V31柵極電壓。

當(dāng)較低控制信號CONTROL_L處于負(fù)電壓電源V-時，F(xiàn)ET V33將不導(dǎo)通，并且不能影響IGBT V31柵極電壓。當(dāng)CONTROL_L高于V-時，F(xiàn)ET V33導(dǎo)通，IGBT V31關(guān)斷。

在圖4的實(shí)施例中，來自諸如羅柯夫斯基線圈T31等感應(yīng)耦合元件的反饋用于限制受控開關(guān)部件V31的關(guān)斷速度。反饋電壓被引導(dǎo)到用作分壓器的電阻器R35、R36的串聯(lián)連接。晶體管V34的基極連接在電阻器R35、R36之間。晶體管V34的發(fā)射極和電阻器的串聯(lián)連接線的端部連接到相同電位，即連接到負(fù)輔助電壓V-，并且晶體管V34的集電極連接到FET V33的柵極，F(xiàn)ET V33控制開關(guān)部件V31的關(guān)斷。

當(dāng)電感耦合元件T31感應(yīng)到電壓時，電流流過電阻器的串聯(lián)連接。電感元件的第一端耦合到與電阻器的串聯(lián)連接的端部相同的電位。當(dāng)來自電感耦合元件的電流超過某一極限時，晶體管V34的基極-發(fā)射極電壓上升，并且晶體管將FET V33的柵極拉到低狀態(tài)，因此FET V33阻斷并且使受控開關(guān)元件V31關(guān)斷，直到電流的減小率被限制在選定值以下。在圖4的實(shí)施例中，電感耦合元件被纏繞成使得IGBT V31的負(fù)di/dt將在線圈上產(chǎn)生正電壓。

在圖5的實(shí)施例中，反饋電路通過二極管D1和電阻器R3的串聯(lián)連接而被連接到推挽晶體管對的輸入端。反饋電路對應(yīng)于圖2的反饋電路，除了圖2的齊納二極管被圖5中的二極管代替，并且電感耦合元件T11的第一端連接到負(fù)輔助電壓。在受控開關(guān)部件關(guān)斷的情況下，電流減小率高于設(shè)定極限，感應(yīng)電壓將使推挽晶體管對V3、V4的輸入電位升高，從而限制電流變化率。

圖5還示出了由二極管D2和電阻器R4的串聯(lián)連接組成的第二反饋電路。該反饋回路直接連接到受控部件的柵極，以增強(qiáng)電流變化的限制。此外，圖5示出了用于限制電壓變化率以增加電流變化率的可控性的附加電路。開關(guān)部件的可控性通過連接在部件的集電極和柵極之間的電容器C1、C2和C3的串聯(lián)連接而增加，這通過提高柵極-發(fā)射極電壓來略微減小關(guān)斷時的du/dt。對電容性反饋電路的需要取決于所使用的功率半導(dǎo)體技術(shù)。

雖然結(jié)合本發(fā)明的具體實(shí)施例示出了電容性反饋，但是電容性反饋可應(yīng)用于本發(fā)明的任何所呈現(xiàn)的實(shí)施例。

應(yīng)當(dāng)注意，在任何以前提出的電路中，可以用許多不同的方法執(zhí)行羅柯夫斯基線圈電壓電平檢測，例如用分壓用的電阻器代替齊納二極管，反之亦然。

圖4的電路在額定電流600A下使用英飛凌FF600R12ME4 Econodual IGBT進(jìn)行測試。選擇羅柯夫斯基線圈的標(biāo)稱值以在550A時相應(yīng)地關(guān)斷IGBT。羅柯夫斯基線圈連接到IGBT V31的DC+軌。在正常硬關(guān)斷中，羅柯夫斯基線圈與IGBT DC+軌分離。IGBT集電極電流被驅(qū)動到380A和1200A之間的各種值，并且測量IGBT的集電極-發(fā)射極電壓。結(jié)果示出于圖6中，其中較高的線代表沒有反饋的測量，而較低的線代表操作中具有反饋的測量。可以看出，閉環(huán)控制可以用于減小IGBT集電極-發(fā)射極電壓峰值，從而在IGBT因過電流被關(guān)斷的情況下保護(hù)IGBT免受過電壓。

在上文中，結(jié)合受控開關(guān)部件大體描述了本發(fā)明。受控開關(guān)部件或受控半導(dǎo)體部件是功率晶體管，例如IGBT或MOSFET。此外，通常涉及的電感耦合元件優(yōu)選地是羅柯夫斯基線圈或耦合電感器。電感耦合元件優(yōu)選地設(shè)置成從DC鏈路的正軌獲得反饋。電感耦合元件還可以位于可獲得與受控開關(guān)部件的電流的感應(yīng)耦合的任何其它位置。

柵極驅(qū)動電路進(jìn)一步優(yōu)選地用于半橋配置以控制半橋的開關(guān)部件。優(yōu)選地，每個開關(guān)部件具有根據(jù)本發(fā)明的柵極驅(qū)動器。此外，半橋配置可以是轉(zhuǎn)換器裝置的結(jié)構(gòu)的一部分。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，本發(fā)明的概念可以以各種方式實(shí)現(xiàn)。例如，在一些實(shí)施例中所呈現(xiàn)的齊納二極管可以由用電阻器實(shí)現(xiàn)的分壓器來代替，反之亦然。此外，存在其他柵極驅(qū)動器拓?fù)洌渲欣秒姼旭詈显@得的反饋可以以上述方式使用。本發(fā)明及其實(shí)施例不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。