專利名稱：柵極驅(qū)動器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及用于控制壓控半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動器電路。本實用新型尤其涉及用 于根據(jù)來自于半導(dǎo)體開關(guān)的控制數(shù)據(jù)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號以便于控制開關(guān)的柵極的驅(qū)動 器電路。
背景技術(shù)：
根據(jù)用于半導(dǎo)體部件的控制方法，向半導(dǎo)體部件提供脈寬調(diào)制信號，在該信號中， 部件的接通和關(guān)斷脈沖由若干脈沖構(gòu)成。通常，半導(dǎo)體部件的接通和關(guān)斷一直由單個脈沖 來實現(xiàn)，即，通過將柵極電位關(guān)于發(fā)射極升高或降低到目標(biāo)值以改變柵極的狀態(tài)來實現(xiàn)。為 了更好地控制接通和關(guān)斷事件，這些單獨的脈沖可以由脈寬調(diào)制信號來代替。PWM信號允許考慮部件的狀態(tài)改變中的不同相位以及使得要被作用的柵極的充電 狀態(tài)比以前更好。對功率半導(dǎo)體部件的控制通常需要形成為受控部件的發(fā)射極電位的單獨的電壓 源。如果該輔助電壓是雙邊的，則柵極可以由關(guān)于發(fā)射極的雙邊電壓來控制，即，柵極在接 通時可以上升到關(guān)于發(fā)射極的正電位，相應(yīng)地，在關(guān)斷時，柵極電位可以關(guān)于發(fā)射極降低為負(fù)。在已知的調(diào)制技術(shù)中，在部件狀態(tài)的單獨改變通過PWM信號來實現(xiàn)的情況下，可 以借助于PWM信號、根據(jù)開關(guān)情況來設(shè)置柵極電壓的平均值。此外，在已知的調(diào)制技術(shù)中， 高頻PWM信號在控制電子裝置的電位處產(chǎn)生。因此，該高頻信號要被轉(zhuǎn)移到受控開關(guān)部件 的浮動電位。高頻信號穿過勢壘的轉(zhuǎn)移對所使用的分離部件的速率提出了要求。

實用新型內(nèi)容因此，本實用新型的目的是提供能夠解決以上問題的柵極驅(qū)動器。為了解決該目的，本發(fā)明的一個實施例提供了一種柵極驅(qū)動器裝置，其被設(shè)置成 基于所產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)來控制半導(dǎo)體部件，其特征在于，所述柵極驅(qū)動器裝置包括分離部 件，其被設(shè)置成接收用于控制所述半導(dǎo)體部件的所述控制數(shù)據(jù)，并將控制電位和受控開關(guān) 的電位彼此分離；驅(qū)動器部件，其被設(shè)置成從所述分離部件接收所述控制數(shù)據(jù)，并被設(shè)置在 所述受控開關(guān)的電位處，所述驅(qū)動器部件還被設(shè)置成在所述受控開關(guān)的電位處產(chǎn)生脈寬調(diào) 制信號，用于根據(jù)所述控制數(shù)據(jù)來控制開關(guān)。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，所述裝置還包括可通過所述驅(qū)動器部件讀取的存 儲器，并且所述驅(qū)動器部件包括用于接收部件的集電極-發(fā)射極電壓、發(fā)射極電流和/或溫 度的輸入端。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述可通過所述驅(qū)動器部件讀取的存儲器被設(shè) 置接收根據(jù)集電極-發(fā)射極電壓、發(fā)射極電流和/或溫度的柵極電壓指令，并根據(jù)所接收的 柵極指令來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，用于控制所述半導(dǎo)體部件。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述裝置還包括驅(qū)動器電路，其被配置成接收由所述驅(qū)動器部件產(chǎn)生的所述脈寬調(diào)制信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的信號至其輸出端。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述驅(qū)動器部件的驅(qū)動器電路的輸出端可通過 柵極電阻器連接到受控半導(dǎo)體部件的柵極。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，所述驅(qū)動器部件被設(shè)置成在受控半導(dǎo)體部件的 發(fā)射極的電位處操作。本實用新型所基于的思想是，產(chǎn)生PWM信號的驅(qū)動器部件被設(shè)置到受控開關(guān)部件 的浮動電位，由此，僅控制數(shù)據(jù)需要被傳送穿過勢壘。穿過勢壘的該控制數(shù)據(jù)的頻率顯著低 于PWM信號的頻率，因此，要被使用的分離部件的速率不是關(guān)鍵因素。本實用新型的柵極驅(qū)動器的優(yōu)點是提高的結(jié)構(gòu)的成本效率，這是因為能夠轉(zhuǎn)移較 低頻率的部件足以作為分離部件。

在下文中將參考附圖對本實用新型進行更加詳細(xì)的描述，其中圖1是本實用新型的實施例的簡化圖；以及圖2示出了開關(guān)期間的柵極電壓的曲線形狀。
具體實施方式
圖1示出了本實用新型的簡化電路圖。在圖1中，要由柵極來控制的半導(dǎo)體部件 是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)。與IGBT的Sl相關(guān)聯(lián)的是，還存在分布電容Ccg和Cge，Ccg 表示集電極和柵極之間的電容，Cge表示柵極和發(fā)射極之間的電容。如通過附圖標(biāo)記所示， 電容Ccg具有變化的特性。柵極電阻器Rg按已知方式連接到IGBT的柵極。圖1還示出了由通過脈沖發(fā)生器2產(chǎn)生的脈沖信號形成的輔助電壓Vcc和Vee。 脈沖發(fā)生器的次級側(cè)具有用于對次級側(cè)的電壓進行整流的二極管整流器，以及串聯(lián)連接的 電容器。該串聯(lián)連接的中點耦合到受控IGBT的發(fā)射極E。脈沖發(fā)生器的次級側(cè)的上部電容 器兩端的電壓形成正的輔助電壓Vcc，下部電容器兩端的電壓形成負(fù)的輔助電壓Vee。IGBT 的發(fā)射極或輔助發(fā)射極E形成浮動電壓的參考點GS，輔助電壓因此允許關(guān)于發(fā)射極來產(chǎn)生 負(fù)電壓和正電壓。所產(chǎn)生的輔助電壓被用作用于驅(qū)動器電路Cl和驅(qū)動器部件UP的輔助電壓。原理 上為放大器電路的驅(qū)動器電路在需要時對來自驅(qū)動器部件uP的、適于控制柵極的信號進 行放大。此外，驅(qū)動器電路對開關(guān)的功率供應(yīng)能力進行增強以至于開關(guān)部件的柵極電荷以 足夠的速率變化。通常為光分離器的分離部件ICl從調(diào)制器接收控制信號等，并將該信號 穿過勢壘PB而轉(zhuǎn)移到浮動電位GS。換句話說，分離部件ICl將至驅(qū)動器部件的接通或關(guān)斷 控制轉(zhuǎn)移到受控部件的發(fā)射極電位。提供0N/0FF類型的控制數(shù)據(jù)的控制電子裝置通常被 與變頻器相關(guān)地設(shè)置成在地電位或者負(fù)的中間電壓電路的電位處。因此，驅(qū)動器部件在浮動電位處產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。該PWM信號通過驅(qū)動器電路 來放大，并通過柵極電阻器Rg而被進一步提供給部件的柵極。本實用新型的柵極驅(qū)動器或與之相關(guān)聯(lián)的可讀存儲器包含用于存儲于其中的 柵極電壓的指導(dǎo)值。這些柵極電壓在使用柵極驅(qū)動器之前被確定和存儲，針對操作模式 (例如接通和關(guān)斷)中的至少一種變化的柵極電壓被確定和存儲。此外，用于軟關(guān)斷和其它特殊情況的柵極電壓可以被存儲。這些指導(dǎo)值表示改變操作模式的最佳方式。在圖1 中，指導(dǎo)值被存儲在位于驅(qū)動器部件中的數(shù)據(jù)庫中，該數(shù)據(jù)庫包含柵極電壓作為用于接通 (TurnOn(l，u，T))、關(guān)斷(TurnOff (1，u，T))和軟關(guān)斷(SoftTurnOff)的典型數(shù)據(jù)。在圖 1 的實施例中，這些指導(dǎo)值已經(jīng)被確定并存儲為半導(dǎo)體電流、電壓和溫度的函數(shù)。圖1中的驅(qū)動器部件UP接收柵極電位處的0N/0FF信息用于改變受控開關(guān)的狀 態(tài)。驅(qū)動器部件uP包含讀取存儲器所需的裝置，并且該驅(qū)動器部件uP選擇正確的控制數(shù) 據(jù)來產(chǎn)生需要的PWM信號。驅(qū)動器部件還包含在發(fā)生故障狀態(tài)時用于解釋并可以下發(fā)用于 器件的軟關(guān)斷(SoftTurnOff)的命令的裝置。關(guān)于部件電流igs、電壓ugs和/或溫度Tgs 的最近測量或另外確定的數(shù)據(jù)被用于從數(shù)據(jù)庫中獲得合適的柵極電壓。圖1示出了要進行 開關(guān)的部件的溫度測量電路C3、集電極電流測量電路C2以及集電極-發(fā)射極電壓測量電路 C4。這些測量電路的結(jié)果被變換成電壓電平并進一步被提供給驅(qū)動器部件uP。通過電流測量產(chǎn)生的電流以及因此在表中使用的電流是開關(guān)之前的交流電的大 小，例如，電流在開關(guān)之后流過部件或被阻止流過部件。該電流例如通過分流電阻器或在次 級側(cè)配備有電阻器的變壓器來測量。代表所測量的電流的該電壓通過耦合成適于驅(qū)動器部 件的運算放大器來變換。以類似的方式來測量和改變開關(guān)Si的溫度及其待切換的電壓。用 于測量溫度的傳感器通常為集成在部件外殼中的NTC或PTC電阻器。電壓例如在開關(guān)Sl 處于非導(dǎo)通狀態(tài)時通過集電極C和發(fā)射極E之間的電阻器分布來測量。測量電路可以連續(xù) 操作，因為邏輯電路基于導(dǎo)通狀態(tài)來提供其讀取的時序。本實用新型的柵極驅(qū)動器產(chǎn)生用于柵極電阻器Rg的脈寬調(diào)制電壓，該電阻器Rg 耦合于受控部件的柵極。脈寬調(diào)制電壓的脈沖比依賴于存儲用于柵極電壓的指導(dǎo)值。驅(qū)動器部件UP基于指導(dǎo)值來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。PWM電壓按已知方式由隨后的脈 沖形成，這些脈沖的平均值形成平均電壓，其大小對應(yīng)于希望的電壓。所產(chǎn)生的PWM電壓被提供給柵極電阻器，其與部件電容Ccg和Cge —起形成低通 濾波器對PWM信號進行濾波。部件柵極因此接收與柵極電壓的指導(dǎo)值對應(yīng)的低通PWM信號。 所形成的低通濾波器因此對PWM信號進行濾波，由此，柵極具有基本恒定的電壓。在本實用新型的柵極驅(qū)動器中，柵極電壓的指導(dǎo)值優(yōu)選地直接存儲為脈沖比。當(dāng) 操作狀態(tài)要被改變時，驅(qū)動器部件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號至其輸出端，可基于測量或估計的電 流、電壓和/或溫度直接從表中讀取信號的脈沖比。收集的數(shù)據(jù)優(yōu)選地存儲為電流、電壓和 溫度的函數(shù)。數(shù)據(jù)還可以被存儲為僅電流和電壓的函數(shù)。此外，即使數(shù)據(jù)被存儲為電流、電 壓和溫度的函數(shù)，也可以僅通過測量或估計的電流和電壓來使用數(shù)據(jù)庫。為了對開關(guān)進行優(yōu)化，所存儲的脈沖比以從開關(guān)時刻的開始的特定時間間隔來存 儲。例如，時間段to-tl，脈沖比0. 95 ；時間段tl-t2，脈沖比0. 50 ；時間段t2_t3，脈沖比 0.80等。為了將表保持得小，優(yōu)選地在離散時間段存儲數(shù)據(jù)。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)庫時，從存儲器中 選擇最匹配的讀數(shù)用于確定脈沖比和脈沖比的期間。如上所述，針對接通和關(guān)斷兩者來存儲值。此外，所存儲的柵極電壓指導(dǎo)值還可以 包含用于故障操作的指導(dǎo)值，用以將部件安全地引導(dǎo)至非導(dǎo)通狀態(tài)。例如，當(dāng)基于開關(guān)電流 和電壓檢測到短路，則驅(qū)動器部件可以通過使用單獨的軟關(guān)斷等來指導(dǎo)開關(guān)，其中，已經(jīng)考 慮了有關(guān)故障情況的特征。任何可想到的控制操作都可以被存儲在可由驅(qū)動器部件讀取的 存儲器中。[0031]圖2示出了在具有感應(yīng)部件負(fù)載的情況下在IGBT部件接通期間柵極-發(fā)射極的 電壓實例。在時間段tl期間，柵極電壓從負(fù)的輔助電壓上升到電壓Vgth，其是接通的閾值 電壓。在時間段tl期間，集電極電流以及集電極-發(fā)射極電壓不變，并且該時間段的長度 要被最小化以減少開關(guān)延時。圖2還示出了脈沖比D，其是針對部件的柵極的。脈沖比D被 確定為D = tcc/T，其中tcc為時間段ti期間具有電壓Vcc的時間。如圖2所示，在時間段 tl期間D大約為1。在時間段t2期間，按照跨導(dǎo)所描述的那樣，IGBT電流隨柵極電壓而變化。圖2假 設(shè)柵極電壓按需超出了與倒相器耦合相對的分支中的二極管回波峰值。在該時間期間控制 電流的變化速率(di/dt)是有利的。在時間段t2期間，D的值保持為小于1。在時間段t3期間，柵極電流對變化的電容Ccg充電，柵極電壓保持在值VgmiIler, 其依賴于部件電流。在時間段t3期間，集電極-發(fā)射極電壓下降的速率可以利用柵極電壓 來控制。脈沖比保持為小于1。在時間間隔t4期間，柵極電壓上升到全輔助電壓Vcc，該時間段的長度優(yōu)選地被 最小化，因此D的值基本保持為1。由于高頻PWM信號在待切換的部件Sl的發(fā)射極電位處產(chǎn)生，因此高頻PWM信號不 需要轉(zhuǎn)移通過電位的分離勢壘。實際上，本實用新型的解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)甚至10納秒的脈 寬，這允許精確優(yōu)化曲線形式。圖2沒有提供用于脈沖比D或用于時間段的精確值。其原因是，每種部件類型需 要具體的控制。還可以注意到，雖然圖2中的操作被劃分為4個時間段，但是這并不意味時 間段中的恒定脈寬。還可以想到，驅(qū)動器電路向更高的控制系統(tǒng)通知它的狀態(tài)，以及特別是部件被置 于非導(dǎo)通狀態(tài)而不顧更高的控制層的原因。例如，由于短路電流而形成的關(guān)于關(guān)斷的故障 信息因此被轉(zhuǎn)移到更高的控制層。由于在本實用新型的解決方案中，半導(dǎo)體部件的控制數(shù)據(jù)被安排在表中，所以可 以通過簡單的方式部件專有地改變控制數(shù)據(jù)。明顯的還有，本實用新型的控制方法可以應(yīng) 用到IGBT之外的其它壓控部件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將發(fā)現(xiàn)，顯然隨著技術(shù)的進步，本實用新型的基本思想可以通過 各種方式來實現(xiàn)。本實用新型及其實施例因此并不局限于上述實例，而是可以在權(quán)利要求 的范圍內(nèi)變化。附圖中使用的附圖標(biāo)記Si:受控 IGBTCcg =IGBT集電極和柵極之間的電容(Miller電容)Cge IGBT柵極和發(fā)射極之間的電容Rg=IGBT柵極電阻器GS 次級開關(guān)側(cè)(IGBT輔助發(fā)射極)的參考電位C/E/G IGBT的集電極/發(fā)射極/柵極Ic 通過IGBT的電流(集電極電流)Cl 線性放大器電路(驅(qū)動器電路)C2 用于測量電流并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號的電路[0050]C3 用于測量溫度并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號的電路C4 用于測量電壓并將其轉(zhuǎn)換成另一個電壓電平的電路uP 可編程數(shù)字驅(qū)動器電路(微處理器)，(驅(qū)動器部件)igs 次級側(cè)的參考電位處的電流信號Tgs 次級側(cè)的參考電位處的溫度信號Ugs 次級側(cè)的參考電位處的電壓信號Vcc 用于柵極控制電子裝置的正輔助信號(IGBT關(guān)斷電壓)，例如+15VVee 用于柵極控制電子裝置的負(fù)輔助信號(IGBT關(guān)斷電壓)，例如-15VTl 用于次級側(cè)的功率供應(yīng)分離的部件(變壓器)ICl 用于控制信號分離的部件(光分離器)0N/0FF 在控制電子裝置電位處的IGBT控制信號PB 控制電子裝置和次級側(cè)之間的勢壘GP 用于控制電子裝置的參考電位(UDC或GND)Vcp 用于控制電子裝置的輔助電壓Vps 在控制電子裝置電位處的輔助電源電壓
權(quán)利要求1.一種柵極驅(qū)動器裝置，其被設(shè)置成基于所產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)來控制半導(dǎo)體部件(Si)， 其特征在于，所述柵極驅(qū)動器裝置包括分離部件(ICl)，其被設(shè)置成接收用于控制所述半導(dǎo)體部件的所述控制數(shù)據(jù)，并將控制 電位和受控開關(guān)的電位彼此分離；驅(qū)動器部件(UP)，其被設(shè)置成從所述分離部件接收所述控制數(shù)據(jù)，并被設(shè)置在所述受 控開關(guān)的電位處，所述驅(qū)動器部件(UP)還被設(shè)置成在所述受控開關(guān)的電位處產(chǎn)生脈寬調(diào) 制信號，用于根據(jù)所述控制數(shù)據(jù)來控制開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括可通過所述驅(qū)動器部件 讀取的存儲器，并且所述驅(qū)動器部件包括用于接收部件的集電極-發(fā)射極電壓(ugs)、發(fā)射 極電流(igs)和/或溫度(Tgs)的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述可通過所述驅(qū)動器部件讀取的存儲 器被設(shè)置接收根據(jù)集電極-發(fā)射極電壓(Ugs)、發(fā)射極電流(igs)和/或溫度(Tgs)的柵極 電壓指令，并根據(jù)所接收的柵極指令來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，用于控制所述半導(dǎo)體部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括驅(qū)動器電路(Cl)，其被配 置成接收由所述驅(qū)動器部件(uP)產(chǎn)生的所述脈寬調(diào)制信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的信號至其輸出 端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動器部件的驅(qū)動器電路(Cl)的輸 出端可通過柵極電阻器(Rg)連接到受控半導(dǎo)體部件的柵極(G)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動器部件(uP) 被設(shè)置成在受控半導(dǎo)體部件的發(fā)射極(E)的電位(GQ處操作。
專利摘要本實用新型公開了一種柵極驅(qū)動器裝置，其被設(shè)置成基于所產(chǎn)生的控制數(shù)據(jù)來控制半導(dǎo)體部件(S1)，該柵極驅(qū)動器裝置包括分離部件(IC1)，其被設(shè)置成接收用于控制半導(dǎo)體部件的控制數(shù)據(jù)，并將控制電位和受控開關(guān)的電位彼此分離；以及驅(qū)動器部件(uP)，其被設(shè)置成從分離部件接收控制數(shù)據(jù)，并被設(shè)置在受控開關(guān)的電位處，該驅(qū)動器部件(uP)還被設(shè)置成在所述受控開關(guān)的電位處產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，用于根據(jù)控制數(shù)據(jù)來控制開關(guān)。
文檔編號H03K17/567GK201887737SQ20102028886
公開日2011年6月29日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月25日
發(fā)明者馬蒂·萊蒂寧 申請人:Abb公司