用于控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的裝置和方法
【專利摘要】公開了一種用于控制如IGBT的半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制電路。該控制電路包括第一反饋路徑，其在所述半導(dǎo)體開關(guān)器件的第一電極和控制電極之間，第一反饋路徑具有電容。該電路可操作以便第一反饋路徑中的電容依賴于在所述第一電極上的電壓電平。在另一實(shí)施方式中，控制電路可操作以便隨著半導(dǎo)體開關(guān)器件開始切斷，反饋信號(hào)立即開始在第一反饋路徑中流動(dòng)，從而引起半導(dǎo)體開關(guān)器件上的控制動(dòng)作。
【專利說明】用于控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的裝置和方法
[0001]本公開涉及半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制，并且特別是絕緣-柵雙極晶體管(IGBT)。
[0002]背景
[0003]本領(lǐng)域中的功率轉(zhuǎn)換器的當(dāng)前技術(shù)通過脈沖寬度調(diào)制后(PWM，脈沖寬度調(diào)制)的電壓源逆變器驅(qū)動(dòng)向輸出端提供了可調(diào)的電壓和頻率。功率轉(zhuǎn)換器可以被用于不間斷電源(UPS)、電動(dòng)機(jī)，等。PWM指令被用于功率轉(zhuǎn)換器來控制到慣性電氣設(shè)備的功率，通過現(xiàn)代電子功率開關(guān)這變得切實(shí)可行的。開關(guān)的占空比(導(dǎo)通-時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比率)是變化的以實(shí)現(xiàn)期望的平均輸出電壓、平均輸出電流等(當(dāng)平均超時(shí)時(shí))。
[0004]典型的功率轉(zhuǎn)換器是開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。其具有兩個(gè)或更多的功率半導(dǎo)體器件，例如功率半導(dǎo)體開關(guān)。功率半導(dǎo)體開關(guān)可以，例如，通過絕緣-柵雙極晶體管(IGBT)來實(shí)現(xiàn)。隨著這樣的半導(dǎo)體開關(guān)的切換速度增加和電流增加，限制關(guān)斷電壓到允許的范圍變得越來越難。如果跨接在半導(dǎo)體開關(guān)的被控路徑上的允許電壓超過范圍時(shí)，它就會(huì)被破壞。特別重要的情況是短路，其中電流變化的速率di/dt誘發(fā)雜散電感電壓，該電壓將被添加到存在于任何情況下的電壓。所導(dǎo)致的過壓可能超過允許電壓，特別是跨接在半導(dǎo)體開關(guān)的被控路徑上的電壓。
[0005]解決過壓的一種辦法是增加在半導(dǎo)體開關(guān)的柵極上的電阻的大小。然而，為了達(dá)到這個(gè)效果，該電阻的大小變得過大并且開關(guān)損耗變得不可接受。另一種方法是反饋集電極-發(fā)射極電壓到半導(dǎo)體開關(guān)的柵極上以保持其處于導(dǎo)通-狀態(tài)一段時(shí)間，這段時(shí)間由高功率電路中的雜散電感確定。柵極電壓的上升限制了集電極-發(fā)射極電壓的上升。然而，這種方法由于低于米勒高原的柵極電壓和集電極-發(fā)射極電壓的上升之間的嚴(yán)重延遲基本上是無效的。
[0006]另一種方法是提供了有源鉗位，比如US7119586中所述。此處，有源鉗位被并入半導(dǎo)體開關(guān)的集電極與柵極驅(qū)動(dòng)器級(jí)的輸入端之間的電路中。這個(gè)有源鉗位確定了跨接在半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極-集電極路徑上的電壓，并且以這種方式檢測(cè)截止?fàn)顟B(tài)的開始，從而凍結(jié)開關(guān)信號(hào)的瞬時(shí)值。由于半導(dǎo)體開關(guān)保持在米勒高原電壓電平較長(zhǎng)，當(dāng)關(guān)斷特別高的電壓時(shí)集電極電流的小的電流變化速率di/dt被實(shí)現(xiàn)。有源鉗位的這種方法往往導(dǎo)致集電極電流斜率變化而沒有顯著增加開關(guān)損耗。
[0007]解決現(xiàn)有技術(shù)中這些問題的一個(gè)或多個(gè)是本發(fā)明的目的。
[0008]在本發(fā)明的第一方面，其中提供了一種用于控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制電路，其包括在所述半導(dǎo)體開關(guān)器件的第一電極和控制電極之間的第一反饋路徑，所述第一反饋路徑包括電容，所述控制電路是可操作的，以便在所述第一反饋路徑中的所述電容依賴于所述第一電極上的電壓電平。
[0009]在本發(fā)明的第二方面，其中提供了一種用于控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制電路，其包括第一反饋路徑，所述第一反饋路徑在所述半導(dǎo)體開關(guān)器件的第一電極和控制電極之間，并且所述第一反饋路徑包括電容，所述控制電路是可操作的，以便隨著所述半導(dǎo)體開關(guān)器件開始切斷，反饋信號(hào)立即開始在所述第一反饋路徑中流動(dòng)，從而引起所述半導(dǎo)體開關(guān)器件上的控制動(dòng)作。[0010]其他可選的方面如在所附的從屬權(quán)利要求中所公開的。
[0011]附圖簡(jiǎn)要說明
[0012]本發(fā)明的實(shí)施方式，現(xiàn)在將僅通過示例的方式，通過參照附圖，進(jìn)行闡述，其中:
[0013]圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的有源驅(qū)動(dòng)器電路，驅(qū)動(dòng)IGBT。
[0014]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的有源驅(qū)動(dòng)器電路，驅(qū)動(dòng)IGBT ；
[0015]圖3示出了沒有任何有源電壓控制的IGBT的多個(gè)信號(hào)電平超時(shí)的軌跡；以及
[0016]圖4和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的使用有源驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)的IGBT的多個(gè)信號(hào)電平超時(shí)的痕跡。
【具體實(shí)施方式】
[0017]圖1示出了有源驅(qū)動(dòng)器電路驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 100的現(xiàn)有技術(shù)。驅(qū)動(dòng)電路接收開關(guān)信號(hào)例如脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM，并且依賴于開關(guān)信號(hào)PWM驅(qū)動(dòng)IGBT100。該驅(qū)動(dòng)電路包括至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)器級(jí)110，其在這個(gè)例子中，由包括兩個(gè)雙極型晶體管120a和120b的推-挽射極跟隨器組成。一個(gè)或多個(gè)另外的驅(qū)動(dòng)級(jí)可能優(yōu)于驅(qū)動(dòng)器級(jí)110。驅(qū)動(dòng)器級(jí)110的輸出端通過柵極電阻器Re被連接到IGBT100的柵極。提供了集電極和驅(qū)動(dòng)器級(jí)110的輸入端之間的第一反饋路徑。該第一反饋路徑包括瞬態(tài)-電壓-抑制(TVS) 二極管130、電容器170、電阻180和開關(guān)190。還提供了集電極和IGBT的柵極之間的第二反饋路徑。該路徑包括TVS 二極管130、另外串聯(lián)的TVS 二極管140、二極管150和電阻160。
[0018]此電路的操作如下。PWM信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器級(jí)110在IGBT100的柵極被接收。隨著柵極電壓變化極性，IGBT100被切斷并且IGBT100的發(fā)射極和集電極之間的電壓上升。一旦達(dá)到由TVS 二極管130設(shè)置的閾值在電容器170處的電勢(shì)發(fā)生改變并且電流經(jīng)電阻180流過第一反饋路徑?？缃釉陔娮?80上的降低的電壓接通開關(guān)190，引起電流流經(jīng)開關(guān)190。由于該電流，反過來，跨接在阻抗195的正電壓下降，其通過驅(qū)動(dòng)器級(jí)110將IGBT100保持在米勒高原。因此，IGBT100保持在其有源區(qū)。這顯著地減小了電流斜率，因而跨接在IGBT上的電壓的瞬時(shí)變化速率dv/dt被限制。
[0019]第二，可選的，反饋路徑，通過直接向柵極施加集電極發(fā)射極電流經(jīng)電阻160和TVS 二極管130、140，在IGBT的柵極上提供另外的嵌位作用。串聯(lián)的TVS 二極管130、140在這個(gè)另外的嵌位作用生效之前導(dǎo)致所需的更高的閾值，與用于第一反饋電路的嵌位作用生效所需的閾值比較。這只是發(fā)生在過壓情況下，在正常操作下集電極-發(fā)射極電壓將不會(huì)超過這個(gè)較高的閾值。
[0020]圖2示出驅(qū)動(dòng)IGBT200的修改后的有源驅(qū)動(dòng)器電路。電路以與圖1中相似的方式進(jìn)行操作。主要區(qū)別是在第一反饋路徑，其中有多個(gè)(在本例中，3個(gè))并聯(lián)的電容器270a、270b、270c。第一電容器270a在其輸入端沒有TVS 二極管，并且因此上升的集電極-發(fā)射極電壓被立即施加到其上面，導(dǎo)致電流在第一反饋路徑中流動(dòng)。然而，隨著集電極-發(fā)射極電壓持續(xù)增加，由TVS 二極管230a設(shè)置的閾值被達(dá)到，隨后是TVS 二極管230a和230b的組合設(shè)置的閾值。這導(dǎo)致，首先，電流被導(dǎo)向通過與270a并聯(lián)的電容器270b，而后通過全部三個(gè)電容器270a、270b、270c。通過該反饋路徑的瞬時(shí)電流ies(1由下式給出:
[0021]i e? I = C.dvce/dt
[0022]其中C是反饋回路中的電容并且dvee/dt是IGBT200的集電極-發(fā)射極電壓變化的瞬時(shí)速率。因此，隨著每個(gè)閾值被通過，在反饋回路中的有效電容增加，并且在反饋回路中的電流與它一起。
[0023]反饋電流ie$(1用來控制驅(qū)動(dòng)器級(jí)210的方式也不同于圖1的電路。圖2示出了中心控制命令CCC (其導(dǎo)致PWM信號(hào))通過隔離器205和放大器215輸入到驅(qū)動(dòng)器級(jí)210。這個(gè)中心控制命令還在開關(guān)T2的基極提供禁止命令225。與開關(guān)T2并聯(lián)的是電阻R2和二極管D3。第一反饋路徑被連接到開關(guān)Tl的柵極，其將正軌經(jīng)由二極管D2連接到驅(qū)動(dòng)器級(jí)210的輸入端。
[0024]反饋電流i i流經(jīng)電阻Rl，此后的電流被注入電阻R2?？缃釉陔娮鑂2上的電壓上升，并且開關(guān)Tl被導(dǎo)通。開關(guān)Tl用作電流放大器動(dòng)作以控制晶體管220a，使得如關(guān)于圖1所述的功率IGBT200保持在其有源區(qū)。
[0025]抑制命令225在延遲(在本例中)I μ s后從而抑制這個(gè)動(dòng)作。在那個(gè)時(shí)間之后，開關(guān)Τ2被導(dǎo)通并且從電阻R2再?zèng)]有動(dòng)作可以發(fā)生。當(dāng)功率IGBT200被導(dǎo)通時(shí)，電容器270a、270b、270c通過二極管D3和電阻Rl放電，并且因此，準(zhǔn)備控制功率IGBT200的下一個(gè)關(guān)斷。
[0026]第二反饋路徑以與圖1中相同的方式進(jìn)行操作。
[0027]與圖1的電路的主要區(qū)別是反饋電流ieai開始在第一反饋路徑中流動(dòng)，并且因此在IGBT被切斷時(shí)控制動(dòng)作立即發(fā)生。另外，第一反饋回路中的控制信號(hào)隨著集電極發(fā)射極電流增加。在這種方式中，多個(gè)電平閾值導(dǎo)致更好的過電壓控制，而沒有大量的額外損耗。
[0028]圖3示出了集電極電流Ic、柵極電壓Vge、集電極-發(fā)射極的過電壓Vce、能量損耗eloss和用于沒有有源電壓控制的功率IGBT的柵極電流Ig的軌跡，而圖4示出了獲得的用于使用了圖2的電路的功率IGBT的相同的軌跡。
[0029]該IGBT正在關(guān)斷這兩個(gè)圖中的400A。在圖4中，柵極電壓Vge可以被看出有多個(gè)峰值，每個(gè)代表所達(dá)到的閾值。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極過電壓Vce的更好的控制。圖3中的過壓可以被看出峰值在700V以上而在圖4中其被約束在600V以下。
[0030]圖5示出了如圖4使用圖2的電路的相同的軌跡，但這次正在關(guān)斷800A。該IGBT具有400A的最大電流(這是一個(gè)短的測(cè)試，由于IGBT無法永久承受此電流)。在此電流，可以看出峰值過電壓Vce是非常接近于(僅非常輕微地高于)關(guān)于其IGBT關(guān)斷的400A的圖4中所示的峰值過電壓。
[0031]雖然該詳細(xì)描述已經(jīng)闡明了本發(fā)明的某些實(shí)施方式，但是所附的權(quán)利要求覆蓋本發(fā)明的其他的實(shí)施方式，這些其他的實(shí)施方式根據(jù)各種修改和改進(jìn)不同于所描述的實(shí)施方式，和/或這些其他的實(shí)施方式可以被設(shè)想到而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制電路，其包括第一反饋路徑，所述第一反饋路徑在所述半導(dǎo)體開關(guān)器件的第一電極和控制電極之間，所述第一反饋路徑包括電容，所述控制電路是可操作的，以便在所述第一反饋路徑中的所述電容依賴于在所述第一電極上的電壓電平。
2.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其中，所述第一反饋路徑包括并聯(lián)布置的多個(gè)電容器，以及至少一個(gè)閾值器件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制電路，其中，在所述多個(gè)電容器的第一個(gè)電容器與所述第一電極之間沒有提供閾值器件。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的控制電路，其中，在并聯(lián)布置的所述多個(gè)電容器的每對(duì)電容器輸入端之間提供了閾值器件。
5.如權(quán)利要求4所述的控制電路，其是可操作的，以便每個(gè)閾值器件引起相應(yīng)的閾值電壓電平被設(shè)置，所述電路是可操作的，以便在所述第一電極上的所述電壓電平每次超過閾值電壓電平時(shí)，另一個(gè)電容器被切換到所述反饋路徑中，并且因此對(duì)所述第一反饋路徑中的所述電容做出貢獻(xiàn)。
6.如權(quán)利要求2到5中的任意一個(gè)所述的控制電路，其中，所述閾值器件包括瞬態(tài)-電壓-抑制二極管。
7.如前述任意一個(gè) 權(quán)利要求所述的控制電路，其是可操作的，以便當(dāng)所述控制電極上的電平走低時(shí)，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件開始導(dǎo)通并且所述第一電極上的所述電壓電平上升，所述第一反饋路徑可操作以施加依賴于所述第一電極上的所述電壓電平的反饋信號(hào)到所述控制電極，從而減小所述第一電極上的電壓電平的上升的速率。
8.如權(quán)利要求7所述的控制電路，其可操作以在預(yù)定的時(shí)間延遲之后停止施加所述反饋信號(hào)到所述控制電極，并且將所述多個(gè)電容器放電。
9.如前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的控制電路，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件是晶體管器件，所述第一電極是集/源電極，并且所述控制電極是基極/柵極電極。
10.如權(quán)利要求9所述的控制電路，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件是絕緣柵雙極晶體管。
11.如前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的控制電路，其中，所述控制電路包括驅(qū)動(dòng)器級(jí)，用于驅(qū)動(dòng)所述控制電極，在所述驅(qū)動(dòng)器級(jí)的輸入端上的信號(hào)電平依賴于所述第一反饋路徑。
12.如前述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的控制電路，包括第二反饋路徑，所述第二反饋路徑包括另一個(gè)閾值器件，并且當(dāng)在所述第一電極上的電壓電平超過由所述第二反饋路徑中的所述另一個(gè)閾值器件設(shè)置的閾值電平時(shí)，所述第二反饋路徑可操作以直接施加信號(hào)到所述控制電極。
13.一種用于控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制電路，包括: 第一反饋路徑，其在所述半導(dǎo)體開關(guān)器件的第一電極和控制電極之間，并且所述第一反饋路徑包括電容，所述控制電路可操作以便隨著所述半導(dǎo)體開關(guān)器件開始切斷，反饋信號(hào)立即開始在所述第一反饋路徑中流動(dòng)，從而引起所述半導(dǎo)體開關(guān)器件上的控制動(dòng)作。
14.如權(quán)利要求13所述的控制電路，其可操作以便當(dāng)所述控制電極上的電平走低時(shí)，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件開始導(dǎo)通并且所述第一電極上的電壓電平上升，所述第一反饋路徑可操作以將所述第一電極上的所述反饋信號(hào)施加到所述控制電極，從而減小所述第一電極上的電壓電平上升的速率。
15.如權(quán)利要求14所述的控制電路，其可操作以在預(yù)定的時(shí)間延遲之后停止施加所述反饋信號(hào)到所述控制電極，并且將所述多個(gè)電容器放電。
16.如權(quán)利要求13到16中的任意一個(gè)所述的控制電路，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件是晶體管器件，所述第一電極是集/源電極并且所述控制電極是基極/柵極電極。
17.如權(quán)利要求16所述的控制電路，其中，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件是絕緣柵雙極晶體管。
18.如權(quán)利要求13到17中的任意一個(gè)所述的控制電路，其中，所述控制電路包括驅(qū)動(dòng)器級(jí)，用于驅(qū)動(dòng)所述控制電極，所述驅(qū)動(dòng)器級(jí)的輸入端上的信號(hào)電平依賴于所述第一反饋路徑。
19.如權(quán)利要求13到18中的任意一個(gè)所述的控制電路，包括第二反饋路徑，所述第二反饋路徑包括另一個(gè)閾值器件，并且當(dāng)在所述第一電極上的電壓電平超過由所述第二反饋路徑中的所述另一個(gè)閾值器件設(shè)置的閾值電平時(shí)，所述第二反饋路徑可操作以直接施加信號(hào)到所述控制 電極。
【文檔編號(hào)】H03K17/082GK104040890SQ201280065835
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】丹尼斯·雷內(nèi)·皮埃爾·馬蒂厄 申請(qǐng)人:美國(guó)能量變換公司