CN101005238B - 电开关器件 - Google Patents
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Abstract
电开关器件，提供一种具有多个并联耦接的IGBT(14、16、18)的电开关器件(10)。该电开关器件平衡了提供给负载(64)的每个IGBT中的电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种电开关器件。
背景技术
功率变换器使用多个晶体管将期望数量的电流提供(source)给负载。然而，功率变换器的问题在于，在该多个并联耦合的晶体管的暂态工作状态(例如导通或关断)期间，该多个晶体管的栅极电压彼此不相等。结果，该多个晶体管中的每个晶体管所提供的电流彼此不相等。在晶体管之间的这种电流的不平衡可能导致晶体管的退化以及功率变换器输出能力的降低。
因此，在此本发明者已经意识到需要一种改进的电开关器件，该开关器件能够平衡由多个并联耦合的晶体管提供的电流。
发明内容
提供根据示例性实施例的电开关器件。该电开关器件包括产生电压信号的驱动电路。该电开关器件还包括具有第一栅极端、第一集电极端和第一发射极端的第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)。第一栅极端经第一阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第一集电极端与电压源电耦合。该电开关器件还包括具有第二栅极端、第二集电极端和第二发射极端的第二IGBT。第二发射极端与第一发射极端电耦合。第二栅极端经第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第二集电极端与第一集电极端电耦合。该电开关器件还包括在第一IGBT的第一栅极端和节点之间电耦合的第一电阻器。该电开关器件还包括在第二IGBT的第二栅极端和节点之间电耦合的第二电阻器。当第一和第二栅极端分别经第一和第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一发射极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二发射极端之间的第二电压基本相等，导致从第一IGBT的第一发射极端流向负载的第一电流与从第二IGBT的第二发射极端流向负载的第二电流基本相等。
提供根据另一示例性实施例的电开关器件。该电开关器件包括产生电压信号的驱动电路。该电开关器件还包括具有第一栅极端、第一集电极端和第一发射极端的第一IGBT。第一栅极端经第一阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第一集电极端与负载电耦合。该电开关器件还包括具有第二栅极端、第二集电极端和第二发射极端的第二IGBT。第二发射极端与第一发射极端电耦合。第二栅极端经第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第二集电极端与第一集电极端电耦合。该电开关器件还包括在第一IGBT的第一栅极端和节点之间电耦合的第一电阻器。该电开关器件还包括在第二IGBT的第二栅极端和节点之间电耦合的第二电阻器。当第一和第二栅极端分别经第一和第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一发射极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二发射极端之间的第二电压基本相等，导致从第一IGBT的第一发射极端流向电压源的第一电流与从第二IGBT的第二发射极端流向电压源的第二电流基本相等。
提供根据另一示例性实施例的电开关器件。该电开关器件包括产生电压信号的驱动电路。该电开关器件还包括具有第一栅极端、第一源极端和第一漏极端的第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。第一栅极端经第一阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第一源极端与电压源电耦合。该电开关器件还包括具有第二栅极端、第二源极端和第二漏极端的第二MOSFET。第二漏极端与第一漏极端电耦合。第二栅极端经第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第二源极端与第一源极端电耦合。该电开关器件还包括在第一MOSFET的第一栅极端和节点之间电耦合的第一电阻器。该电开关器件还包括在第二MOSFET的第二栅极端和节点之间电耦合的第二电阻器。当第一和第二栅极端分别经第一和第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一漏极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二漏极端之间的第二电压基本相等，导致从第一MOSFET的第一漏极端流向负载的第一电流与从第二MOSFET的第二漏极端流向负载的第二电流基本相等。
提供根据另一示例性实施例的电开关器件。该电开关器件包括产生电压信号的驱动电路。该电开关器件还包括具有第一栅极端、第一源极端和第一漏极端的第一MOSFET。第一栅极端经第一阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第一源极端与负载电耦合。该电开关器件还包括具有第二栅极端、第二源极端和第二漏极端的第二MOSFET。第二漏极端与第一漏极端电耦合。第二栅极端经第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号。第二源极端与第一源极端电耦合。该电开关器件还包括在第一MOSFET的第一栅极端和节点之间电耦合的第一电阻器。该电开关器件还包括在第二MOSFET的第二栅极端和节点之间电耦合的第二电阻器。当第一和第二栅极端分别经第一和第二阻抗电路接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一漏极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二漏极端之间的第二电压基本相等，导致从第一MOSFET的第一漏极端流向电压源的第一电流与从第二MOSFET的第二漏极端流向电压源的第二电流基本相等。
在阅读附图和详细描述时，根据实施例的其它器件将对于本领域技术人员变得明显。所有这类附加系统和方法都旨在处于本发明的范围内，并且由所附权利要求来保护。
附图说明
图1示出根据示例性实施例的电开关器件；
图2示出在图1的电开关器件的开关状态期间分别施加在第一、第二和第三IGBT的栅极端上的第一、第二和第三电压信号；
图3示出在图1的电开关器件的开关状态期间分别流过第一、第二和第三IGBT的第一、第二和第三电流；
图4示出在图1的电开关器件的开关状态期间分别与第一、第二和第三IGBT相关的第一、第二和第三能级；
图5示出在图1的电开关器件的开关状态期间分别与第一、第二和第三IGBT相关的第一、第二和第三集电极-发射极电压；以及
图6示出根据另一示例性实施例的电开关器件。
具体实施方式
参考图1，示出根据示例性实施例的用于给负载64提供电平衡电流的电开关器件10。电开关器件10包括栅极驱动电路12、IGBT 14、16、18、阻抗电路50、52、54、电阻器58、60、62和电压源63。
栅极驱动电路12产生用于导通IGBT 14，16，18的具有正电压的电压信号。特别地，栅极驱动电路12在节点66处产生电压信号以导通IGBT 14、16、18，使得IGBT 14、16、18分别给负载64提供电流(I1)、(I2)、(I3)。另外，栅极驱动电路12除去电压信号以关断IGBT 14、16、18，使得IGBT 14、16、18停止分别给负载64提供电流(I1)，(I2)，(I3)。在示例性实施例中，该电压信号以预定的频率，例如在10-100,000赫兹的频率范围内重复产生。
IGBT 14、16、18被设置用于分别给负载64提供电流(I1)、(I2)、(I3)。IGBT 14、16、18在节点76和78之间并联电耦合。
IGBT 14包括栅极端20、集电极端22和发射极端24。栅极端20与节点70电耦合。集电极端22与节点78电耦合，其还与电压源63电耦合。当栅极驱动电路12在节点66处产生具有正电压的电压信号时，该电压信号的一部分通过电阻器50传播到栅极端20以导通IGBT 14。交替地，当栅极驱动电路12在节点66处不产生电压信号时，IGBT 14被关断。
IGBT 16包括栅极端26、集电极端28和发射极端30。栅极端26与节点72电耦合。集电极端28与节点78电耦合，其还与电压源63电耦合。当栅极驱动电路12在节点66处产生具有正电压的电压信号时，该电压信号的一部分通过电阻器52传播到栅极端26以导通IGBT 16。交替地，当栅极驱动电路12在节点66处不产生电压信号时，IGBT 16被关断。
IGBT 18包括栅极端32、集电极端34和发射极端36。栅极端32与节点74电耦合。集电极端34与节点78电耦合，其还与电压源63电耦合。当栅极驱动电路12在节点66处产生具有正电压的电压信号时，该电压信号的一部分通过电阻器54传播到栅极端32以导通IGBT 18。交替地，当栅极驱动电路12在节点66处不产生电压信号时，IGBT 18被关断。
设置电阻器58、60、62以分别在IGBT 14、16、18的栅极端20、26、32的每一个处维持基本相等的电压(例如栅极-发射极电压)。特别地，当栅极端20、26、32处的电压分别维持在基本相等的电压时，(例如在彼此的20％的范围内)，分别由IGBT 14、16、18提供的电流(I1)、(I2)和(I3)具有彼此基本相等的值。另外，在开关状态期间IGBT 14、16、18消耗的能量的量彼此基本相等。正如所示的，电阻器58电耦合在栅极端20和节点68之间。电阻器60电耦合在栅极端26和节点68之间。电阻器62电耦合在栅极端32和节点68之间。电阻器58、60、62的每一个可以具有在0.01-10欧姆范围内的电阻。
电压源63被配置为向负载64提供电流。电压源63电耦合在节点78和负载64之间。负载64包括具有阻抗的一个或多个器件或电路元件。正如所示的，负载64电耦合在电压源63和节点76之间。
参考图2-5，将解释通过电开关器件10产生的信号的示例性信号示意图。当IGBT在从时间T1到时间T2的时间间隔内从“导通”工作状态过渡到“关断”工作状态时，信号示意图84、86、88与IGBT 14、16、18的栅极-发射极电压对应。正如所示的，信号示意图84、86、88具有基本类似的幅度，表明IGBT14、16、18的栅极-发射极电压在所述时间间隔内彼此基本相等。
当IGBT在从时间T1到T2的时间间隔内从“导通”工作状态过渡到“关断”工作状态时，信号示意图102、104、106与IGBT 14、16、18的集电极-发射极电压对应。正如所示的，信号示意图102、104、106具有基本类似的幅度，表明IGBT 14、16、18的集电极-发射极电压在所述时间间隔内彼此基本相等。
当IGBT在从时间T1到时间T2的时间间隔内从“导通”工作状态过渡到“关断”工作状态时，信号示意图90、92、94分别与分别由IGBT 14、16、18提供的电流(I1)、(I2)和(I3)对应。正如所示的，信号示意图90、92、94具有基本类似的幅度，表明电流(I1)、(I2)和(I3)在所述时间间隔内彼此基本相等。
当IGBT在从时间T1到时间T2的时间间隔内从“导通”工作状态过渡到“关断”工作状态时，信号示意图96、98、100与IGBT 14、16、18的能级对应。正如所示的，信号示意图96、98、100具有基本类似的幅度，表明IGBT采用的能量在所述时间间隔内彼此基本相等。
在替换实施例中，电开关器件10中的IGBT 14、16、18分别可以用第一、第二和第三MOSFET代替。特别地，第一MOSFET的栅极端将与节点70电耦合。另外，第一MOSFET的发射极端将与节点76电耦合。另外，第一MOSFET的集电极端将与节点78电耦合。另外，第二MOSFET的栅极端将与节点72电耦合。第二MOSFET的发射极端将与节点76电耦合。第二MOSFET的集电极端将与节点78电耦合。另外，第三MOSFET的栅极端将与节点74电耦合。第三MOSFET的发射极端将与节点76电耦合。第三MOSFET的集电极端将与节点78电耦合。
参照图6，示出根据另一示例性实施例的用于给负载174提供平衡电流的电开关器件120。该电开关器件120包括栅极驱动电路122、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)124、126、128、阻抗电路160、162、164、电阻器166、168、170和电压源172。
栅极驱动电路122产生用于导通MOSFET 124，126，128的具有正电压的电压信号。特别地，栅极驱动电路122在节点176处产生具有正电压的电压信号以导通MOSFET 124、126、128，使得MOSFET 124、126、128分别给负载174提供电流(I4)、(I5)、(I6)。另外，栅极驱动电路122在节点176处除去电压信号以关断MOSFET 124、126、128，使得MOSFET 124、126、128停止分别给负载174提供电流(I4)、(I5)、(I6)。
MOSFET 124、126、128被设置用于分别给负载174提供电流(I4)、(I5)、(I6)。MOSFET 124、126、128在节点186和188之间并联电耦合。
MOSFET 124包括栅极端130、源极端132和漏极端134。栅极端130与节点180电耦合。源极端132与节点188电耦合，其还与负载174电耦合。漏极端134与节点186电耦合。当栅极驱动电路122在节点176处产生具有正电压的电压信号时，该电压信号的一部分通过电阻器160传播到栅极端130以导通MOSFET 124。交替地，当栅极驱动电路122在节点176处不产生电压信号时，MOSFET 124被关断。
MOSFET 126包括栅极端136、源极端138和漏极端140。栅极端136与节点182电耦合。源极端138与节点188电耦合，其还与负载174电耦合。漏极端140与节点186电耦合。当栅极驱动电路122在节点176处产生具有正电压的电压信号时，该电压信号的一部分通过电阻器162传播到栅极端136以导通MOSFET 126。交替地，当栅极驱动电路122在节点176处不产生电压信号时，MOSFET 126被关断。
MOSFET 128包括栅极端142、源极端144和漏极端146。栅极端142与节点184电耦合。源极端144与节点188电耦合，其还与负载174电耦合。漏极端146与节点186电耦合。当栅极驱动电路122在节点176处产生具有正电压的电压信号时，该电压信号的一部分通过电阻器164传播到栅极端142以导通MOSFET 128。交替地，当栅极驱动电路122在节点176处不产生电压信号时，MOSFET 128被关断。
设置电阻器166、168、170以分别在MOSFET 124、126、128的栅极端130、136、142的每一个处维持基本相等的电压(例如漏极-源极电压)。特别地，当在栅极端130，136，142处的电压维持在基本相等的电压时，分别由MOSFET
124、126、128提供的电流(I4)、(I5)和(I6)具有彼此基本相等的值。另外，在开关状态期间MOSFET 124、126、128消耗的能量的量彼此基本相等。正如所示的，电阻器166电耦合在栅极端130和节点178之间。电阻器168电耦合在栅极端136和节点178之间。电阻器170电耦合在栅极端142和节点178之间。
电压源172被配置为向负载174提供电流。电压源172电耦合在负载174和节点186之间。负载174包括具有阻抗的一个或多个器件或电路元件。正如所示，负载174电耦合在电压源172和节点188之间。
在替换实施例中，电开关器件120中的MOSFET 124、126、128可以分别用第一、第二和第三IGBT代替。特别地，第一IGBT的栅极端将与节点180电耦合。第一IGBT的漏极端将与节点186电耦合。第一IGBT的源极端将与节点188电耦合。另外，第二IGBT的栅极端将与节点182电耦合。第二IGBT的漏极端将与节点186电耦合。第二IGBT的源极端将与节点188电耦合。另外，第三IGBT的栅极端将与节点184电耦合。第三IGBT的漏极端将与节点186电耦合。第三IGBT的源极端将与节点188电耦合。
本发明的电开关器件提供了优于其它开关器件的显著优势。特别地，所述电开关器件提供了平衡由多个IGBT或MOSFET向负载提供的电流的技术效果。
尽管参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以作出多种变化，并且等价物可以替代其元件。此外，可以根据本发明的教导作出许多修改以适应特定情况而不脱离其范围。因此，本发明并不局限于用于执行本发明的公开的实施例，而是本发明包括所有落在预期的权利要求的范围内的实施例。另外，术语第一、第二等的使用不是表示任何重要性次序，而是使用术语第一、第二等来将一个元件和另一个元件区分开。
部件列表
电开关器件 10
栅极驱动电路 12
IGBT 14，16，18
栅极端 20
集电极端 22
发射极端 24
栅极端 26
集电极端 28
发射极端 30
栅极端 32
集电极端 34
发射极端 36
阻抗电路 50，52，54
电阻器 58，60，62
电压源 63
负载 64
节点 66
节点 68
节点 70
节点 72
节点 74
节点 76和78
信号示意图 84，86，88
信号示意图 102，104，106
信号示意图 90，92，94
信号示意图 96，98，100
电开关器件 120
负载 174
栅极驱动电路 122
金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 124，126，128
栅极端 130
源极端 132
漏极端 134
栅极端 136
源极端 138
漏极端 140
栅极端 142
源极端 144
漏极端 146
阻抗电路 160，162，164
电阻器 166，168，170
电压源 172
节点 176
节点 178
节点 180
节点 182
节点 184
节点 186
Claims (10)
1.一种电开关器件，包括：
以预定频率产生电压信号的单驱动电路；
具有第一栅极端、第一集电极端和单发射极端的第一IGBT，第一栅极端经驱动电路和第一栅极端之间耦合的第一电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第一集电极端与电压源耦合；
具有第二栅极端、第二集电极端和单发射极端的第二IGBT，第二IGBT的发射极端与第一IGBT的发射极端耦合，第二栅极端经驱动电路和第二栅极端之间耦合的第二电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第二集电极端与第一集电极端耦合；
在第一IGBT的第一栅极端和节点之间耦合的第三电阻器；以及
在第二IGBT的第二栅极端和所述节点之间耦合的第四电阻器，使得当第一和第二栅极端分别经第一和第二电阻器接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一IGBT的发射极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二IGBT的发射极端之间的第二电压基本相等，导致从第一IGBT的发射极端流向负载的第一电流与从第二IGBT的发射极端流向负载的第二电流基本相等。
2.如权利要求1的电开关器件，其中第三和第四电阻器具有在0.01-10欧姆的范围内的电阻。
3.如权利要求1的电开关器件，其中所述预定频率为10-100,000赫兹。
4.如权利要求1的电开关器件，还包括：
具有第三栅极端、第三集电极端和单发射极端的第三IGBT，第三IGBT的发射极端与第二IGBT的发射极端耦合，第三栅极端经驱动电路和第三栅极端之间耦合的第五电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第三集电极端与第二集电极端耦合；以及
在第三IGBT的第三栅极端和节点之间耦合的第六电阻器，使得当第一、第二和第三栅极端分别经第一、第二和第五电阻器接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一IGBT的发射极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二IGBT的发射极端之间的第二电压以及第三栅极端和第三IGBT的发射极端之间的第三电压都基本相等，导致从第一IGBT的发射极 端流向负载的第一电流与从第二IGBT的发射极端流向负载的第二电流以及从第三IGBT的发射极端流向负载的第三电流都基本相等。
5.如权利要求1的电开关器件，其中在开关状态期间分别由第一IGBT和第二IGBT使用的第一和第二电能量彼此基本相等。
6.一种电开关器件，包括：
以预定频率产生电压信号的单驱动电路；
具有第一栅极端、第一集电极端和单发射极端的第一IGBT，第一栅极端经驱动电路和第一栅极端之间耦合的第一电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第一集电极端与负载耦合；
具有第二栅极端、第二集电极端和单发射极端的第二IGBT，第二IGBT的发射极端与第一IGBT的发射极端耦合，第二栅极端经驱动电路和第二栅极端之间耦合的第二电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第二集电极端与第一集电极端耦合；
在第一IGBT的第一栅极端和节点之间耦合的第三电阻器；以及
在第二IGBT的第二栅极端和所述节点之间耦合的第四电阻器，使得当第一和第二栅极端分别经第一和第二电阻器接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一IGBT的发射极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二IGBT的发射极端之间的第二电压基本相等，导致从第一IGBT的发射极端流向电压源的第一电流与从第二IGBT的发射极端流向电压源的第二电流基本相等。
7.一种电开关器件，包括：
以预定频率产生电压信号的单驱动电路；
具有第一栅极端、第一源极端和单漏极端的第一MOSFET，第一栅极端经驱动电路和第一栅极端之间耦合的第一电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第一源极端与电压源耦合；
具有第二栅极端、第二源极端和单漏极端的第二MOSFET，第二MOSFET的漏极端与第一MOSFET的漏极端耦合，第二栅极端经驱动电路和第二栅极端之间耦合的第二电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第二源极端与第一源极端耦合；
在第一MOSFET的第一栅极端和节点之间耦合的第三电阻器；以及
在第二MOSFET的第二栅极端和所述节点之间耦合的第四电阻器，使 得当第一和第二栅极端分别经第一和第二电阻器接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一MOSFET的漏极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二MOSFET的漏极端之间的第二电压基本相等，导致从负载流向第一MOSFET的漏极端的第一电流与从负载流向第二MOSFET的漏极端的第二电流基本相等。
8.如权利要求7的电开关器件，其中第三和第四电阻器具有在0.01-10欧姆的范围内的电阻。
9.如权利要求7的电开关器件，其中所述预定频率为10-100,000赫兹。
10.如权利要求7的电开关器件，还包括：
具有第三栅极端、第三源极端和单漏极端的第三MOSFET，第三MOSFET的漏极端与第二MOSFET的漏极端耦合，第三栅极端经驱动电路和第三栅极端之间耦合的第五电阻器接收来自驱动电路的电压信号，第三源极端与第二源极端耦合；以及
在第三MOSFET的第三栅极端和节点之间耦合的第六电阻器，使得当第一、第二和第三栅极端分别经第一、第二和第五电阻器接收来自驱动电路的电压信号时，第一栅极端和第一MOSFET的漏极端之间的第一电压的幅度与第二栅极端和第二MOSFET的漏极端之间的第二电压以及第三栅极端和第三MOSFET的漏极端之间的第三电压都基本相等，导致从负载流向第一MOSFET的漏极端的第一电流与从负载流向第二MOSFET的漏极端的第二电流以及从负载流向第三MOSFET的漏极端的第三电流都基本相等。
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