具有穩(wěn)壓器的柵極驅動電路及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于IGBT晶體管，特別是用于補償米勒電流(Miller currents)的具有有源柵極穩(wěn)壓器的柵極驅動電路。
【背景技術】
[0002]US 2010/0194451 Al公開了一種用于控制IGBT元件和柵極驅動器的方法。IGBT是功率半導體元件，其用作，例如，高功率應用中的開關。IGBT是柵極受控元件，其能夠從柵極被接通和關斷。IGBT可以包括柵極驅動電路單元，其能夠快速為元件的內部電容充電以用于接通該元件。同樣地，驅動電路能夠從柵極移除電荷以用于從該元件切斷電流。柵極驅動器被連接到元件的柵極和發(fā)射極端子，并且驅動器的目的在于控制柵極相對于發(fā)射極的電位。
[0003]US 7080639 BI描述了一種用于控制點火線圈的電路。該電路包括第一晶體管、第二晶體管和電容器。該第一晶體管電氣串聯(lián)連接在點火線圈和電壓基準之間。電容器連接在點火線圈和第一晶體管的控制輸入之間。第二晶體管配置為將電容器選擇性地連接到電壓基準。
[0004]US 2013/0175575 Al教導了具有提高效率的IGBT電路模塊。該發(fā)明的實施方式包括具有絕緣柵雙極性晶體管的電源模塊，其提高了操作效率。這些模塊可以包括IGBT電路模塊，其能夠產生幾乎無功率損耗的大功率輸出。每一個電路模塊可包括單個的IGBT。多個電路模塊可以被并聯(lián)配置和/或串聯(lián)配置。除了其他的功效之外，這些功效被實現(xiàn)以減少接通時間和/或關斷時間，以及降低開關期間的損耗。柵極電壓可以在短于IGBT電路模塊的制造廠商規(guī)格的電流上升時間的時間內被升高到全電壓。柵極電壓也可以在短于IGBT電路模塊的制造廠商規(guī)格的電流下降時間的時間內被放電。
[0005]US 6570413 BI公開了一種用于諸如絕緣柵雙極晶體管的電壓受控開關設備的驅動電路，其用于功率轉換設備，特別是在用于電機速度控制的逆變器中，即，用于接受外部ΟΝ/OFF信號作為輸入以便為直接應用到電壓受控半導體開關設備的控制端子的ON/OFF驅動產生和應用信號。該發(fā)明涉及具有在驅動的電壓受控半導體開關元件中最小化接通時間、功率損耗以及噪聲產生功能的驅動電路。
[0006]GB 2417625 A教導了確定IGBT柵極的容量而不接通IGBT，以及當IGBT導通時的用于IGBT柵極的驅動電流波形根據電容而被修改。這樣，無論IGBT是否被新的或者不同的IGBT替換，都可以獲得最佳的開關速度。最佳的開關速度減少了開關損失，避免了擊穿電流，并且使得符合電磁兼容(EMC)規(guī)定。
[0007]CN 201536357 U描述一種IGBT驅動設備，其包括開關控制電路和脈沖變壓器隔離驅動電路，其中開關控制電路的輸入端接收IGBT的驅動信號，開關控制電路的輸出端與脈沖變壓器隔離驅動電路的初級電路連接，IGBT驅動信號通過脈沖變壓器隔離驅動電路以隔離的方式被傳輸至其次級電路，并且次級電路的輸出端與IGBT的控制端口連接。IGBT驅動設備能夠完全隔離IGBT的驅動輸入端以及前級驅動電路，有效地降低了驅動電路和IGBT之間的相互干擾，提升了 IGBT驅動信號的精確度，確保了 IGBT在高可靠性和安全性狀態(tài)下進行精確驅動和控制，同時提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和EMC性能。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種用于在開關期間穩(wěn)定IGBT的電壓并補償米勒電流的系統(tǒng)。該系統(tǒng)應當確保操作而不發(fā)生具有后續(xù)電壓振蕩的局部電壓峰值。本發(fā)明對功率開關元件特別有用。
[0009]正如這里所描述以及所要求保護的，通過本發(fā)明實現(xiàn)這些和其他目的。從而，本發(fā)明涉及具有有源柵極穩(wěn)壓器的柵極驅動電路，包括用于產生雙極性電壓到IGB晶體管柵極的裝置，用于補償IGB晶體管的米勒電流的裝置，其中用于補償的裝置通過在柵極和電源電壓之間與電容器串聯(lián)連接的開關元件形成。
[0010]在一個優(yōu)選的實施例中，用于補償的裝置包括串聯(lián)連接的陶瓷電容器和功率MOSFETo
[0011 ] 在一個優(yōu)選的實施例中，開關元件的開關電壓由電阻控制。
[0012]在一個優(yōu)選的實施例中，開關元件的源極和柵極之間連接的電阻器是NTC電阻器。
[0013]在一個優(yōu)選的實施例中，用于補償的裝置被連接在正電源電壓和IGB晶體管的柵極之間。
[0014]借助于本發(fā)明可以獲得顯著的優(yōu)點。根據本發(fā)明的系統(tǒng)可以避免具有后續(xù)電壓振蕩的局部電壓峰值。進一步的，可以減少開關損耗和集電極電壓變化速度，同時減少EMC干擾。
[0015]利用本發(fā)明，穩(wěn)定柵極的電容在需要時具有最大的電容而在其他時間具有最小的電容。因此，耦合延遲處于與開關接通和開關關斷階段兩者有關的最低水平。柵極電壓的變化率也可以增加。
[0016]可以進一步實現(xiàn)更小時間間隔內的最大電壓。
【附圖說明】
[0017]為了更加全面的理解本發(fā)明的特定實施例及其優(yōu)點，現(xiàn)在結合附圖進行以下說明。在附圖中:
[0018]圖1示出了根據現(xiàn)有技術實施方式的具有有源柵極穩(wěn)壓器的柵極驅動電路的示意圖。
[0019]圖2示出了根據本發(fā)明實施方式的具有有源柵極穩(wěn)壓器的柵極驅動電路的示意圖。
[0020]圖3示出了使用本發(fā)明以及不使用本發(fā)明的柵極電壓的電壓-時間圖。
[0021]圖4示出了使用本發(fā)明以及不使用本發(fā)明的IGBT晶體管的集電極電壓。
[0022]圖5示出了陶瓷電容器的電容與功率場效應晶體管Vl的柵極-發(fā)射極電壓以及關斷電壓之間的關系。
[0023]圖6示出了具有不同柵極電壓的IGB晶體管的電壓損耗。
[0024]圖7示出了在第一溫度下使用以及不使用本發(fā)明另一實施例的柵極電壓的電壓-時間圖。
[0025]圖8示出了在第二溫度下使用以及不使用本發(fā)明另一實施例的柵極電壓的電壓-時間圖。
[0026]圖9示出了在第三溫度下使用以及不使用本發(fā)明另一實施例的柵極電壓的電壓-時間圖。
[0027]圖10示出了在第四溫度下使用以及不使用本發(fā)明另一實施例的柵極電壓的電壓-時間圖。
【具體實施方式】
[0028]圖1中示出了根據現(xiàn)有技術的實施方式的具有傳統(tǒng)的柵極穩(wěn)壓器的柵極驅動電路30的示意圖。端子10代表正電源電壓，典型地為+15V，端子11控制電壓在正電源電壓與負電源電壓之間改變，端子12代表浮置在IGBT發(fā)射極電位上的電壓，以及端子13代表負電源電壓，典型地為-15V?？刂齐妷?1使得晶體管V2或者晶體管V3進入導通狀態(tài)，并因此柵極端子X4將被連接到正電源電壓或負電源電壓。由功率IGB晶體管40的米勒電容器C4產生的米勒電流通過連接在端子X4和X5之間的電容ClO而被補償。電阻器31的功能是在故障操作期間關斷IGB晶體管。電容器Cl和C2被用于穩(wěn)定操作電壓，尤其是在開關情形中。R27的功能是補償晶體管V2和V3的電壓降。由于固定電容器ClO的補償相對直接的米勒電流，與有源柵極穩(wěn)壓器相比，該電路增加了開關延遲并且特別是降低了在10...15V和-10...-15V之間的電壓斜率。
[0029]圖2中，示出了根據本發(fā)明實施例的具有有源柵極穩(wěn)壓器的柵極驅動電路的示意圖。
[0030]簡單說，在本發(fā)明中，現(xiàn)有技術的簡單電容由具有串聯(lián)連接在柵極端子和正電源電壓之間的電容器和開關的動態(tài)的、有源的電路所替代。
[0031]詳細地說，電子電路本身類似于圖1的現(xiàn)有技術的電路，但是電容器ClO被連接在正電源電壓10和柵極端子X4之間的電容器C3和開關晶體管Vl所替代。元件Vl典型地為N溝道功率MOSFET，其與陶瓷電容器C3串聯(lián)連接，從而使得電容器C3連接在正電源電壓10和Vl的源極之間。Vl的漏極連接到柵極端子X4。Vl的柵極電壓由電阻器Rl和R2確定，其中Rl連接在電源電壓10與Vl的柵極之間，并且R2連接在Vl的源極和柵極之間。電阻器R2在本應用中也叫做源極-柵極電阻器。功率MOSFET的內部二極管50被示出位于源極和漏極端子之間。另外，二極管V5被反向連接在正電源電壓和柵極端子X4之間以用于將柵極電壓箝位在正電源電壓之上。另外，電阻器R31被連接在柵極端子X4和發(fā)射極端子X5之間以在故障操作期間關斷IGB晶體管。
[0032]被補償的功率晶體管可以是IGBT晶體管，然而，也可以想到是其他晶體管。
[0033]有源柵極穩(wěn)壓器典型地包括η溝道功率MOSFET VI，陶瓷電容器C3和兩個電阻器R1、R20
[0034]圖3中示出了電壓-時間圖。第一和第二曲線圖示出具有20或者不具有根據本發(fā)明的耦合的在開關接通期間的IGBT柵極電壓的測量結果。兩者中均可以看出在大約為9伏的IGBT接通閾值水平中的