CN101088221B - 开关器件的自适应栅极驱动电路和方法以及逆变器 - Google Patents

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Abstract

逆变器的自适应栅极驱动包括具有现场可编程门阵列(FPGA)的控制电路，并且包括具有多个FET、用于操作诸如沟槽栅绝缘栅双极晶体管(IGBT器件)之类的开关器件电源电路。控制电路提供用于操作开关器件的开关信号。另外，控制电路还接收IGBT器件的输出电流、IGBT器件的温度以及DC链路电压的信号。FPGA中存储了多个工作点。每个工作点具有用来控制IGBT器件的导通或截止行为的控制信号的对应参数。在工作中，控制电路把所测量电流、电压和温度与FPGA中存储的工作点比较，并向栅极驱动电路发送对应参数。栅极驱动相应地修改IGBT的栅极上的信号，因而根据实际工作条件来优化器件的导通和/或截止行为。

Description

开关器件的自适应栅极驱动电路和方法以及逆变器
技术领域
一般来说，本公开涉及用于半导体功率器件的自适应栅极驱动，更具体来说，涉及用于控制导通和/或截止行为的绝缘栅双极晶体管的自适应栅极驱动。
背景技术
半导体功率开关器件、如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在本领域是众所周知的。例如，IGBT一直是用于可变速AC电动机驱动的逆变器部分及其它类似应用中的主要功率半导体器件。最新一代的IGBT包括沟槽栅场终止IGBT器件(TG-IGBT)，它们有时又称作第三代IGBT器件。
沟槽栅IGBT器件提供优于先有IGBT器件的大量优点。例如，沟槽栅IGBT往往具有更低的导通状态电压要求。此外，沟槽栅IGBT通常能够比包括先前几代IGBT器件在内的其它半导体器件更迅速地进行开/关转换。但是，沟槽栅IGBT器件的极快速截止行为可能使得将IGBT上的电压保持在反偏安全工作区(RBSOA)之内极为困难。另外，沟槽栅IGBT器件的快速截止行为可能引起所连接电路之内的寄生振荡。这类寄生振荡可能干扰栅极驱动及其它控制电路和/或导致它们出故障。此外，当如AC电动机控制器的逆变器部分中常见的那样采用自由旋转二极管时，沟槽栅IGBT的极快速导通行为可能导致反向恢复的问题。例如，因为反向恢复期间的电流以高变化速率终止，所以“导通”期间的反向恢复可能非常“爽快”。这也可能引起沟槽栅IGBT器件和栅极驱动电路的寄生振荡及可能的故障。这类问题在较高工作电压和电流时更为明显。
本领域中已经提出多种技术来解决涉及沟槽栅IGBT用于逆变器时的快速导通和截止行为的一部分问题。在一种技术中，沟槽栅IGBT的栅电阻增加，使得器件更缓慢地转换。增加栅电阻帮助控制IGBT的导通行为。但是，为了有效地控制沟槽栅IGBT的截止行为，栅电阻必须实质上增加多达10至20倍。电阻的这种实质增加可能造成沟槽栅IGBT器件的“截止”中的延迟，这一般可能是不可接受的。
在另一种技术中，两级“导通”和“截止”过程可用来控制沟槽栅IGBT器件的转换。在这种技术中，栅极电阻器的值在固定级增加，从而控制沟槽栅IGBT器件的“导通”或“截止”。这种技术解决在仅使用简单固定电阻时出现的“截止”期间不可接受的延迟的问题。在又一种技术中，可监测沟槽栅IGBT器件的集电极电压(通常为集电极电压的绝对值以及变化率)，并且栅极电压被改变以影响导通/截止时间。在又一种技术中，沟槽栅IGBT器件中的电流的变化率可利用具有IGBT器件的模块的电源与控制端子之间的电压来监测，以及栅极电压可被改变为可接受的电平。
以上所述的技术被开发以避免“最坏情况”条件下电源电路中的过电压和振荡。然而，虽然栅极驱动设计成经受得住这种最坏情况条件，但电源电路即使有的话也是很少遇到这类最坏情况条件。绝大多数工作条件低于(好于)最坏情况。因此，电源电路在设计用于即使有的话也是很少遇到的最坏情况条件时不能最理想地工作。也就是说，沟槽栅IGBT器件的导通和截止行为比它们在最坏情况条件之外的工作条件下所需的要慢许多。慢转换行为产生增加的热耗散以及产生的设备等级和/或可靠性的损失。
发明内容
用于逆变器的栅极驱动根据逆变器和IGBT器件的工作条件来适配或修改送往开关器件、如逆变器的绝缘栅双极晶体管(IGBT器件)的信号，以便控制IGBT器件的导通和/或截止行为。自适应栅极驱动包括具有现场可编程门阵列(FPGA)的控制电路，并且包括具有多个场效应晶体管(FET)的电源电路。控制电路提供用于操作IGBT器件的开关信号。另外，控制电路还接收从逆变器测量的工作条件。工作条件包括IGBT器件的输出电流、IGBT器件的温度以及逆变器的直流链路电压。
FPGA存储多个工作点。每个工作点具有用来控制IGBT器件的导通和/或截止行为的控制信号的对应参数。在一个实施例中，工作参数包括用于根据逆变器和IGBT器件的工作条件最佳地控制IGBT器件的开关行为的控制脉冲的起始时间和停止时间。这些参数对于逆变器的具体IGBT器件根据经验来确定。
在工作中，控制电路把从逆变器测量的工作条件与FPGA中存储的工作点进行比较，并向电源电路发送对应的控制信号。当IGBT器件最初截止时，控制脉冲在对应的起始时间开始并保持工作条件的持续时间。起始时间以IGBT器件在开关器件的最初“截止”期间开始去饱和之后的某个时间开始。作为响应，电源电路向IGBT器件的栅极提供驱动信号，它以适合IGBT器件的工作条件的方式来控制器件的导通或截止行为。
按照本发明的一个方面，提供一种用于操作具有栅极并具有导通行为和截止行为的半导体开关器件的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括：提供用于操作开关器件的信号的控制电路，所述控制电路接收开关器件的工作条件并且具有在控制电路中存储的开关器件的多个工作点，各工作点与用于开关器件的对应控制信号关联；耦合在控制电路与开关器件之间的电源电路，所述电源电路包括去饱和检测器，所述电源电路接收来自控制电路的控制信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，以便根据控制信号来操作开关器件；其中控制电路把从开关器件测量的工作条件与控制电路中存储的多个工作点进行比较，并向电源电路发送对应控制信号，以及其中电源电路接收来自控制电路的对应控制信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，从而根据测量的工作条件来控制开关器件的导通或截止行为。
按照本发明的另一方面，提供一种逆变器，包括：提供输出功率的多个开关器件，各开关器件具有栅极、导通行为和截止行为；提供用于操作开关器件的开关信号的控制电路，所述控制电路接收从逆变器测量的工作条件，并且具有在控制电路中存储的逆变器的多个工作点，各工作点与对应控制信号关联；以及耦合在控制电路与开关器件之间的电源电路，所述电源电路包括去饱和检测器，所述电源电路接收来自控制电路的开关信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，以便操作开关器件，其中控制电路把从逆变器测量的工作条件与控制电路中存储的多个工作点进行比较，并向电源电路发送对应控制信号，以及其中电源电路接收来自控制电路的对应控制信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，从而控制开关器件的导通或截止行为。
按照本发明的又一方面，提供一种用于操作逆变器的开关器件的电路，所述开关器件具有栅极、导通行为和截止行为，所述电路包括：用于采用开关信号来驱动开关器件的部件；用于从逆变器测量工作条件的部件；用于根据从逆变器测量的工作条件来确定控制信号的部件；用于检测所述开关器件的去饱和的部件；以及用于采用控制信号来驱动开关器件、以便根据从逆变器测量的工作条件来控制开关器件的导通或截止行为的部件。
按照本发明的又一方面，提供一种控制逆变器的开关器件的导通行为或截止行为的方法，包括以下步骤：采用开关信号来驱动开关器件；从逆变器测量工作条件；根据从逆变器测量的工作条件来确定控制信号；在开关器件的初始截止期间开关器件的去饱和开始之后的一个时间发送控制信号；以及通过根据从逆变器测量的工作条件采用控制信号驱动开关器件，控制开关器件的导通或截止行为。
以上概述不是要概括本发明的各个可能的实施例或每个方面。
附图说明
参照以下结合附图的具体实施例的详细描述，将会最好地理解本公开的以上概述、优选实施例和主题的其它方面，附图包括：
图1说明根据本公开的某些理论的三相逆变器电源电路的一个实施例的电路图。
图2说明根据本公开的某些理论来控制的IGBT器件的波形曲线图。
图3说明根据本公开的某些理论的三相逆变器模块的一个实施例。
图4说明根据本公开的某些理论的栅极驱动控制电路和电源电路的一个实施例。
图5说明根据本公开的某些理论的栅极驱动控制电路和电源电路的另一个实施例。
虽然所公开的自适应栅极驱动可容许各种修改和备选形式，但作为实例在附图中表示了具体实施例，并且在本文进行详细描述。附图和文字描述不是要以任何方式来限制本发明概念的范围。附图和文字描述而是提供用于按照35U.S.C.§112的要求、参照具体实施例向本领域的技术人员说明本发明概念。
具体实施方式
当前技术的三相交流(AC)电动机采用配置到控制系统中的固态电子器件、磁和/或真空接触器以及其它组件的复杂组合。AC电动机控制系统可细分为四个基本功能部分：(1)输入整流器部分，把输入AC电整流或转变成直流(DC)电；(2)DC总线部分，也可对DC电进行滤波和调节；(3)逆变器部分，把DC电变成脉宽调制(PWM)变频AC信号；以及(4)控制接口，允许用户操作控制系统、因而操作AC电动机。
虽然在采用AC电动机作为石油工业的原动机的上下文中来构思本文所公开的发明，但是大家会理解，本文中的本发明具有比AC电动机或者特定行业更为广阔的应用。现在参照图1，示意说明AC电动机控制系统的部分。整流器部分一般以11表示，并且包括整流器(未示出)、来自整流器的DC输出12以及调节模块14。调节模块14可包括并且优选地包括用于减小来自整流器的DC输出中的电流和/或电压波纹的DC链路电感器13。调节模块14可包括并且优选地包括用于大能量存储的主DC链路电容器15。DC总线部分16优选地包括连接整流器部分11和逆变器部分18的叠层汇流排。叠层汇流排是优选的，因为它有效地使主DC电容器15与逆变器部分18之间的漏电感为最小。图1中还表示了负载连接19、驱动控制器30和逆变器控制模块40。逆变器控制模块40包括根据本公开的某些理论的自适应栅极驱动。
逆变器部分18具有多个半导体开关器件20，它们优选地为绝缘栅双极晶体管(IGBT)，更优选地为沟槽栅场终止IGBT器件(TG-IGBT)。虽然本发明的所公开实现主要针对IGBT器件、更具体来说针对TG-IGBT器件进行描述，但是，主题公开的本发明还可与MOSFET及其它半导体功率开关器件配合使用。在当前实例中，逆变器部分18是与三相AC电动机配合使用的三相逆变器。例如，逆变器部分18可能是400-hp AC电动机(未示出)的控制系统中的空气冷却600V逆变器部分。
如以下更详细所述，逆变器控制模块40的自适应栅极驱动根据逆变器部分18的工作条件来修改或适配用来驱动IGBT器件20的栅极的波形。逆变器控制模块40的自适应栅极驱动连续监测电源电路的电流I、电压V和温度T，以便确定逆变器部分18的工作条件。根据IVT工作条件，自适应栅极驱动在IGBT器件20的开关期间在指定时间对栅极引入“控制脉冲”。控制脉冲减缓IGBT器件20的截止和/或导通行为，以便防止本公开的背景部分所述的有害影响的一部分。
为了控制和保护设备的目的，在电源电路中通常已经监测电压V、电流I和温度T这些参数。逆变器控制模块40的自适应栅极驱动可把这些现有IVT测量和已知技术用于向逆变器控制模块40传递这些参数(IVT)。一般来说，从IGBT器件20测量或计算温度T，对于各相测量电流I，以及在DC链路电压上测量电压V。
逆变器电源电路的设计优选地允许在“截止”期间施加到IGBT器件20上的峰值电压被确定。在这方面，逆变器电源电路优选地采用逆变器电路18中的叠层汇流排16和高度局部化电容器17。当电流在IGBT器件20中迅速变化时，叠层汇流排16和高度局部化电容器17可减小杂散电感。
对于逆变器电源电路的具体实现，测试可用来建立用于在各种IVT工作条件下最好地操作特定IGBT器件20和特定电路的控制脉冲的参数。用于具体实现的实验确定的控制参数可存储在与逆变器模块40的自适应栅极驱动关联的微处理器存储器或者类似的器件中。在工作中，自适应栅极驱动实现具有先前确定为最好地控制从逆变器电源电路所测量的具体IVT工作点的IGBT器件20的开关行为的参数的控制脉冲。
在一个优选实施例中，所公开的逆变器模块40的自适应栅极驱动仅控制根据本文所公开的技术的IGBT器件20的截止行为。例如，在逆变器电路18的这个优选实施例中，Dynex Semiconductor的DIM1200DDM17-E000或者Eupec的FF1200R17KE3用于开关器件20。对于这些优选的IGBT器件，可不需要适配以控制其导通行为，因为一致快速“导通”在这些优选的IGBT器件20用于逆变器电路18时是可接受的。此外，IGBT器件20的导通行为一般不会存在问题，因为驱动的其它电路、如二极管可处理导通行为的问题。但是，通过本公开的益处，大家会理解，所公开的技术同样可根据需要用来修改IGBT器件20的导通行为。
图2以图形方式说明根据本公开的某些理论操作的IGBT器件的示范波形A、B和C的部分。示范波形A、B和C分别表示在IGBT器件的初始“截止”期间在指定点引入正栅极电压的“控制脉冲”之前、期间和之后的IGBT器件的栅极-发射极电压VGE、集电极-发射极电压VCE和集电极电流IC。栅极-发射极电压VGE(波形A)表示为在器件的开关期间以+15V的稳态“开”电平开始。在时间T1之后，栅极-发射极电压VGE(波形A)在IGBT器件的初始“截止”期间保持为栅极门限电压。在存储时间延迟之后，IGBT器件在时间T2开始去饱和，并且IGBT器件的集电极-发射极电压VCE(波形B)开始上升。在这个时间间隔中，集电极电流IC(波形C)保持基本恒定。
正栅极电压的“控制脉冲”则在IGBT器件的去饱和开始之后从起始时间TS开始。例如，起始时间TS可能处于在去饱和开始之后100到400-ns的范围内。在控制脉冲期间，当集电极-发射极电压VCE(波形B)超过DC链路电压时，集电极电流IC(波形C)在时间T4开始下降。在控制脉冲期间，栅极-发射极电压VGE(波形A)被驱动到固定正电平，它可能基本上处于稳态“开”电压(例如+15V)。
在时间T5，看到集电极-发射极电压VCE(波形B)因逆变器电路内的杂散漏电感中的电流变化率(di/dt)而过冲。控制脉冲在IGBT器件去饱和开始之后的停止时间(TS+TW)结束。例如，作为起始时间TS与停止时间TS+TW之间的差值的控制脉冲的持续时间TW可能处于300到600-ns的范围内。当IGBT器件的“截止”在大约时间T6完成时，栅极-发射极电压VGE(波形A)基本上处于-15V的稳态“关”电平，集电极-发射极电压VCE(波形B)基本上处于DC链路电压，以及集电极电流IC(波形C)稳定下降。
已经发现，根据本公开的某些理论引入控制脉冲可减少与IGBT器件的极快速截止行为关联的问题的一部分。例如，控制脉冲可有助于把IGBT器件上的电压保持在反偏安全工作区(RBSOA)之内。在另一个实例中，控制脉冲可减小逆变器及所连接电路中可能干扰栅极驱动及其它控制电路的寄生振荡。
参照图3，示意说明根据本公开的某些理论、具有自适应栅极驱动的三相逆变器模块40的一个实施例。对于其中逆变器模块40作为已经具有用于确定系统中的部分或全部IGBT器件的IVT工作点的可用信号60的低电压控制电路来工作的应用，具有自适应栅极驱动的逆变器模块40的当前实施例是优选的。虽然逆变器模块40表示为用于三相，但是大家会理解，本文所公开的技术可与具有不同相位配置的逆变器配合使用。
三相逆变器模块40包括逆变器接口板50和相位模块100。为了简洁起见，图3中仅示出一个相位模块100。但是，三相逆变器模块40将具有三个这样的相位模块100。逆变器接口板50包括驱动控制器接口52、现场可编程门阵列(FPGA)54、模数(A/D)转换器56和脉冲变压器驱动器58。驱动控制器30表示为与逆变器接口板50的驱动控制器接口52进行接口。如逆变器控制中已知的那样，驱动控制器30发送各种信号来控制逆变器，例如脉宽调制(PWM)信号、电动机控制信号和人机接口(HMI)信号。当前实施例的驱动控制器30可能是用于逆变器领域的传统驱动控制器。
FPGA 54与驱动控制器接口52传递信号，接收来自A/D转换器56的信号60，以及向脉冲变压器驱动器58发送信号。FPGA 54具有嵌入存储器，用于逆变器和逆变器中被驱动的IGBT器件的IVT工作点的标识和自适应查找。FPGA 54优选地为Altera开发的CYCLONEFPGA。虽然当前实施例包括FPGA，但是大家会理解，可采用本领域已知的其它器件或微处理器，例如数字信号处理(DSP)控制器。A/D转换器56接收从逆变器电路所测量的模拟信号60，并把信号转换成发送给FPGA 54的数字信号。模拟信号60包括从逆变器电路的IGBT器件所测量的散热器温度的反馈信号62。另外，模拟信号60还包括从逆变器电路所测量的DC电压反馈信号64，并且包括从逆变器电路的IGBT器件的输出所测量的输出电流反馈信号66。
三相逆变器模块40操作三相逆变器电路的六个IGBT器件。因此，A/D转换器56优选地包括用于操作逆变器的六个IGBT器件的各种反馈信号60的多个通道。大家会理解，其它逆变器拓扑可采用A/D转换器56与逆变器电路之间的其它通道连接。在一个优选实施例中，三个双封装IGBT器件104、如Dynex Semiconductor的DIM1200DDM17-E000或Eupec的FF1200R17KE3优选地用于逆变器电路。
FPGA 54向脉冲变压器驱动器58发送信号，脉冲变压器驱动器58又向各相位模块100发送脉冲信号。各相位模块100包括栅极驱动板102和双IGBT封装104，如Dynex Semiconductor的DIM1200DDM17-E000或Eupec的FF1200R17KE3。对于双IGBT封装104的IGBT器件的每个，各相位模块100包括脉冲变压器接收器110、栅极驱动控制电路120和栅极驱动电源电路130的双配置。在当前实施例中，各相位模块100接收来自逆变器接口板50的四个脉冲信号70。脉冲信号70中的两个包括送往优选实施例的双IGBT封装104中的“上”IGBT器件的“上开”脉冲和“上关”脉冲。另外两个脉冲信号70包括送往优选实施例的双IGBT封装104中的“下”IGBT器件的“下开”脉冲和“下关”脉冲。
驱动控制器30、驱动控制器接口52、A/D转换器56、脉冲变压器驱动器58、脉冲变压器接收器110以及当前实施例的其它组件可能是用于电源逆变器电路领域的这类器件的传统设计。但是，栅极驱动控制电路120和电源电路130优选地与以下参照图4所公开的那些相似。如以下更详细所述，这些栅极驱动电源电路130包括场效应晶体管(FET)，用于根据以上参照图2所公开的技术产生控制被驱动IGBT器件的截止行为的波形。
在工作中，逆变器接口板50上的FPGA 54采用A/D转换器56连续监测温度信号62、电流输出信号64和DC链路电压信号66。在当前实施例中，温度从逆变器电路的IGBT器件的散热器来测量。从散热器温度中，FPGA 54估算IGBT器件的结温度，因为结温度在IGBT器件中不易测量。
FPGA 54通过以下等式采用散热器温度、电流输出和DC链路电压来估算结温度Tj：
Tj＝Thsk+K1·Iph+K2·Iph·Vdc
式中：
Tj是IGBT器件的估算结温度，
Thsk是来自IGBT器件的散热器温度反馈信号，
Iph是逆变器各相的输出电流，
Vdc是来自逆变器的DC链路电压反馈信号。
常数K1和K2根据用于电源逆变器电路的具体实现中的特定IGBT器件和PWM频率用实验确定。该等式得到结温度的估算值Tj。
在优选实施例中，FPGA 54把Tj、Iph和Vdc的测量值的分辨率减小到4位分辨率，这对于根据所公开的技术的栅极控制适配的确定是足够的。FPGA 54则并置4位值Tj、Iph和Vdc，从而得到表示被驱动IGBT器件的当前IVT工作条件的12位值。FPGA 54包括嵌入存储器中用于控制根据本文所公开的技术的逆变器电路的IGBT器件的截止行为的查找表。查找表包括逆变器要工作于的多个IVT工作点。各IVT工作点具有最好地控制被驱动IGBT器件的截止行为的控制脉冲的根据经验得出的参数。FPGA 54中存储的控制脉冲的参数包括用来控制IGBT器件的控制脉冲的起始时间(TS)和停止时间(TW)。控制脉冲可具有固定高度或幅度，可能基本上与“开”电压(例如+15V)相同。或者，FPGA 54的查找表中的参数可包括最好地控制IGBT器件的截止行为的控制脉冲的已修改和根据经验得出的幅度。
在逆变器工作期间，逆变器模块40监测逆变器的IVT工作条件，以及FPGA 54不断地更新最好地操作逆变器的IGBT器件的控制脉冲的优选参数。当IVT工作条件变化时，FPGA 54查找与从逆变器和被驱动IGBT器件所测量的当前IVT工作条件对应的控制脉冲的优选参数(例如起始时间(TS)和停止时间(TW))。在逆变器中的IGBT器件的“截止”期间，FPGA 54向IGBT器件的栅极驱动控制电路120发送命令信号。在这点，栅极驱动控制电路120知道与被驱动IGBT器件的具体IVT工作点对应的控制脉冲的最佳起始时间(TS)和停止时间(TW)。在IGBT器件在初始“截止”期间开始去饱和之后，栅极驱动控制电路120和电源电路130采用优选控制信号来驱动IGBT器件，从而控制根据本文所公开的技术的IGBT器件的截止行为。为了确保不存在限制条件，偏移优选地用于控制脉冲的这种脉宽编码。
参照图4，说明图3的栅极驱动控制电路120和电源电路130的实施例。根据参照图3所述的技术，栅极驱动控制电路120连接到脉冲变压器接收器(图3的相位模块100的110)，以便接收来自FPGA(图3的54)的信号。图4的栅极驱动电源电路130连接到栅极驱动控制电路120和IGBT器件20。大家知道，IGBT器件20的集电极C和发射极E连接到逆变器电路(未示出)。栅极驱动控制电路120和电源电路130根据本文所公开的波形修改技术来驱动IGBT器件20。
如前面所述，逆变器电路Dynex Semiconductor的DIM1200DDM17-E000或Eupec的FF1200R17KE3的一个优选实施例包括双封装IGBT器件。因此，图4的IGBT器件20可表示这些优选IGBT封装中的IGBT器件之一。虽然为这些优选IGBT封装开发了当前实施例，但是大家会理解，本领域已知的其它IGBT器件可与所公开技术配合使用。
栅极驱动电源电路130包括施加与以上在图2中对于IGBT器件20所述的那些相似的波形的多个高功率场效应晶体管(FET)。栅极驱动电源电路130包括“开”FET 140、“关”FET 150、控制FET 160和去饱和检测器170。控制电路120电气连接到“开”FET 140、“关”FET 150和控制FET 160的相应栅极端子。控制电路120向FET 140、150和160的相应栅极端子发送开关控制信号以控制其操作。
“开”FET 140的源极连接到通常为+15V的“开”电压，而“开”FET 140的漏极则连接到被驱动IGBT器件20的栅极G。电阻器142连接在“开”FET 140的漏极与IGBT器件20的栅极G之间。“关”FET 150的源极连接到通常为+15V的“关”电压，而“关”FET 150的漏极也连接到被驱动IGBT器件20的栅极G。电阻器152连接在“关”FET 150的源极与IGBT器件20的栅极G之间。控制FET 160的源极连接到可能是+15V的控制电压，而控制FET 160的漏极则连接到被驱动IGBT器件20的栅极G。二极管162连接在控制FET 160的漏极与IGBT器件20的栅极G之间。
去饱和检测器170连接在控制电路120与IGBT器件20之间。
去饱和检测器170到IGBT器件20的连接在IGBT器件20的集电极C与栅极G之间进行。去饱和检测器可能是传统设计的，并且可例如包括反偏二极管和比较器。去饱和检测器170确定在IGBT器件20的初始“截止”期间的存储时间延迟之后IGBT器件20的去饱和开始的时间。
控制电路120通过向“开”FET 140和“关”FET 150发送控制开关信号、从而控制从这些FET到被驱动IGBT器件20的栅极G的信号，以典型方式工作。为了修改IGBT器件20的截止行为以产生根据本文所公开的技术的波形，控制电路120还在IGBT器件120的“截止”期间在指定点向控制FET 160的栅极发送控制开关信号。控制FET 160又发送如上所述的正栅极电压的控制信号，以便改进IGBT器件20的截止行为。具体来说，控制FET 160发送具有由FPGA(图3的54)中的查找表对于IGBT器件20和逆变器的当前IVT工作点所确定的最佳起始时间(TS)和停止时间(TW)的控制脉冲。
在一个备选实施例中，控制电路120和电源电路130可根据本文所公开的技术修改IGBT器件20的导通行为。除了以上公开的“开”FET 140和电阻器142之外，第二“开”FET(未示出)可通过与“开”FET 140和电阻器142相同的方式分别连接到控制电路120以及采用第二电阻器(未示出)连接到栅极G。电阻器142和(未示出的电阻器)可具有不同的电阻。这样，控制电路120可向“开”FET中的第一“开”FET 140发送初始开关信号，以便让来自其电阻器142的对应电阻操作栅极G。然后，控制电路120可向另一个“开”FET(未示出)发送后续开关信号，以便让来自其电阻器(未示出)的对应电阻操作IGBT器件20的栅极G。“开”FET的选择以及开关信号的持续时间可根据逆变器和IGBT器件的当前工作条件通过FPGA 54中的查找表来确定。
参照图5，说明栅极驱动控制220和电源电路230的另一个实施例。当前实施例的栅极驱动控制220和电源电路230优选地用于其中逆变器的IVT工作点是逆变器和控制电路的其它组件未知的应用，它与图3及图4的实施例的情况相反。栅极驱动控制电路220连接到信号隔离电路210和电源隔离电路212。信号隔离电路210可包括脉冲变压器、光耦合器或者本领域已知的用于隔离信号的其它器件。类似地，电源隔离电路212可包括变压器或者本领域已知的用于使控制电路与电源隔离的其它器件。控制电路220经由信号隔离电路210接收来自其它控制组件的信号。例如，控制电路220可接收来自驱动控制器的脉宽调制(PWM)信号、电动机控制信号和人机接口(HMI)信号。
栅极驱动电源电路230连接到栅极驱动控制220和IGBT器件20。栅极驱动电源电路230用于根据本文所公开的波形修改技术来驱动IGBT器件20。大家知道，IGBT器件20的集电极C和发射极E连接到逆变器电路(未示出)。如前面所述，Dynex Semiconductor的DIM1200DDM17-E000或Eupec的FF1200R17KE3用于逆变器电路的一个优选实施例。因此，图5的IGBT器件20可表示这些优选IGBT封装中的IGBT器件之一。虽然为这些优选IGBT封装开发了当前实施例，但是大家会理解，本领域已知的其它IGBT器件可与所公开技术配合使用。
与图4的实施例相似，栅极驱动电源电路230包括“开”FET 240、“关”FET 250、控制FET 260和去饱和检测器270。此外，栅极驱动电源电路230还包括分压器280、模拟积分器290和热敏电阻300。控制电路220电气连接到“开”FET 240、“关”FET 250和控制FET260的相应栅极端子。控制电路200向FET 240、250和260的相应栅极端子发送控制开关信号以控制其操作。为了克服制造方面的任何实际困难，栅极驱动电路230优选地采用本领域已知的现代细距器件在多层印刷电路板(PCB)上实现。
“开”FET 240的源极连接到通常为+15V的“开”电压，而“开”FET 240的漏极则连接到被驱动IGBT器件20的栅极G。电阻器242连接在“开”FET 240的漏极与IGBT器件20的栅极G之间。“关”FET 250的源极连接到通常为+15V的“关”电压，而“关”FET 250的漏极也连接到被驱动IGBT器件20的栅极G。电阻器252连接在“关”FET 250的源极与IGBT器件20的栅极G之间。控制FET 260的源极连接到可能是稳态“开”电压(+15V)的控制电压，而控制FET260的漏极则连接到被驱动IGBT器件20的栅极G。二极管262连接在控制FET 260的漏极与IGBT器件20的栅极G之间。
控制电路220采用热敏电阻300、电阻测量装置302和串行A/D转换器304来接收IGBT器件20的温度反馈。热敏电阻300优选地为负温度系数(NTC)热敏电阻。NTC热敏电阻300直接安装在具有IGBT器件20的IGBT模块的芯片上。NTC热敏电阻264的一端采用金属填充环氧树脂连接到IGBT器件20的发射极镀金属。热敏电阻300的另一端连接到电阻测量装置302。电阻测量装置302的输出连接到串行A/D转换器304，它向控制电路220发送数字电阻信号。NTC热敏电阻300的电阻在稳态“开”或“关”操作期间被测量。例如，电阻测量装置302可包括差分放大器，用于测量NTC热敏电阻300两端的电压降。电压只是数十毫伏，因此，任何运算放大器电路优选地具有足够精度，以及对输入信号的数毫秒滤波可能是可接受的。一旦NTC热敏电阻300的电阻被确定并经由串行A/D转换器304发送给控制电路220，控制电路220的FPGA(未示出)中的查找表用来确定IGBT器件的温度。
去饱和检测器270连接在控制电路220与IGBT器件200之间。去饱和检测器270到IGBT器件20的连接在IGBT器件20的集电极C与栅极G之间进行。去饱和检测器270可能是传统设计的，并且可例如包括反偏二极管和比较器。去饱和检测器270确定在IGBT器件20的初始“截止”期间的存储时间延迟之后IGBT器件20的去饱和开始的时间。
分压器280连接在控制电路220与IGBT器件20之间。分压器280到IGBT器件20的连接也在IGBT器件20的集电极C与栅极G之间进行。分压器280到控制电路220的连接经由快速串行A/D转换器282来进行。分压器280可能是传统设计的。分压器280在IGBT器件20的稳态“关”条件期间测量集电极-发射极电压VCE。
模拟积分器290的一个连接连接到控制电路220的冻结重置控制输出，另一个连接经由快速串行A/D转换器292连接到控制电路220的电流反馈输入，以及另一个连接连接到IGBT模块的功率发射极。模拟积分器290可能是传统设计的。模拟积分器290在器件20的“导通”期间测量IGBT模块的内部发射极电感上的电压(即辅助和功率发射极端子之间的电压)。
控制电路220通过向“开”FET 240和“关”FET 250发送控制开关信号、从而控制从这些FET到被驱动IGBT器件20的栅极G的信号，以典型方式工作。为了修改IGBT器件20的“截止”以产生根据以上所公开的技术的波形，控制电路220还在IGBT器件20的“截止”期间在指定点向控制FET 260的栅极发送控制开关信号。控制FET 260又发送如上所述的正栅极电压的控制脉冲，以便改进IGBT器件20的截止行为。
控制电路220优选地包括FPGA，它优选地为Altera开发的CYCLONE FPGA。控制电路220测量IGBT器件20的当前IVT工作点，并确定用于控制IGBT器件20的截止行为的最佳参数。在工作中，IGBT器件20的温度采用NTC热敏电阻302的电阻来测量。一旦确定NTC热敏电阻302的电阻，控制电路220确定当前IVT工作点的IGBT器件的结温度。分压器280在稳态“关”条件中测量当前IVT工作点的集电极-发射极电压VCE。模拟积分器290通过在器件20的“导通”期间对IGBT模块的内部发射极电感上的电压(即辅助和功率发射极端子之间的电压)进行积分，来测量对于IVT工作点的输出电流。只要单个PWM周期期间的电流的变化相对于栅极驱动波形的调制不明显，则这个输出电流的测量是有效的。控制器220连续监测IGBT器件20的IVT工作点，以及控制器220的FPGA采用IVT工作点以与以上公开相同的方式来控制栅极电压。
虽然本文所述的优选实施例根据IVT数据点从预定值来确定各控制脉冲的特性，但是大家会理解，等式、公式或界限可对于功率半导体器件的特定实现来导出，以及处理器或其它逻辑器件可实现等式、公式或界限，以便实时或准实时地确定控制脉冲特性。
优选及其它实施例的以上描述不是要限制由本申请人设想的本发明概念的范围或适用性。为了换取公开本文包含的发明概念，本申请人要求所附权利要求提供的全部专利权利。因此，所附权利要求意在包括落入以下权利要求及其等效物的范围之内的所有修改和变更。

Claims (31)

1.一种用于操作具有栅极并具有导通行为和截止行为的半导体开关器件的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括：
提供用于操作开关器件的信号的控制电路，所述控制电路接收开关器件的工作条件并且具有在控制电路中存储的开关器件的多个工作点，各工作点与用于开关器件的对应控制信号关联；
耦合在控制电路与开关器件之间的电源电路，所述电源电路包括去饱和检测器，所述电源电路接收来自控制电路的控制信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，以便根据控制信号来操作开关器件；
其中控制电路把从开关器件测量的工作条件与控制电路中存储的多个工作点进行比较，并向电源电路发送对应控制信号，以及
其中电源电路接收来自控制电路的对应控制信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，从而根据测量的工作条件来控制开关器件的导通或截止行为。
2.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，控制信号包括施加到开关器件的栅极的正电压的起始时间和停止时间，起始时间在开关器件的初始截止期间开关器件的去饱和开始之后开始。
3.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述开关器件包括绝缘栅双极晶体管。
4.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述开关器件的工作条件包括电压、电流和温度。
5.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述温度从开关器件的散热器来测量，以及所述控制电路采用散热器温度来估算开关器件的结温度。
6.如权利要求5所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路采用等式Tj＝Thsk+K1·Iph+K2·Iph·Vdc来估算结温度，其中：Tj是开关器件的结温度，Thsk是散热器温度，Iph是开关器件的输出电流，Vdc是DC链路电压，常数K1和K2是根据用于电源逆变器电路的具体实现中的特定IGBT器件和PWM频率用实验确定的。
7.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括热敏电阻器，其一端连接到开关器件的输出，另一端连接到电阻测量装置，所述电阻测量装置测量控制电路的热敏电阻器的电阻，以便确定开关器件的温度。
8.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电压包括DC链路电压。
9.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括用于测量电压的分压器。
10.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电流包括从开关器件的输出中测量的输出电流。
11.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括用于测量电流的模拟积分器分割器。
12.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述去饱和检测器用于在初始截止期间检测开关器件的去饱和。
13.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制器包括存储多个工作点以及对应控制信号的现场可编程门阵列。
14.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路包括用于把模拟信号转换为数字信号的模数转换器。
15.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述控制电路在开关器件截止时在开关器件的去饱和开始之后的一个时间向电源电路发送控制信号。
16.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，电源电路采用控制信号来驱动开关器件，使得开关器件的栅极-发射极电压在开关器件截止期间开关器件的去饱和开始之后的一段持续时间里保持在固定的正电平。
17.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电源电路包括接收来自控制电路的开关信号以便把“开”电压连接到开关器件的栅极的开关元件。
18.如权利要求17所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述开关元件包括场效应晶体管。
19.如权利要求17所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电源电路包括接收来自控制电路的开关信号以便把“关”电压连接到开关器件的栅极的“关”场效应晶体管。
20.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电源电路包括接收来自控制电路的控制信号并且根据控制信号把控制电压连接到开关器件的栅极的控制开关元件。
21.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电源电路还包括：
热敏电阻器，其一端连接到开关器件的输出；以及
电阻测量电路，连接在热敏电阻器的另一端与控制电路之间，并测量热敏电阻器的电阻以确定开关器件的温度。
22.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电源电路包括连接在控制电路与开关器件之间并且在开关器件的稳态“关”条件期间测量开关器件的集电极-发射极电压的分压器。
23.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述电源电路包括耦合在控制电路与开关器件之间并且在开关器件导通期间测量内部发射极电感上的电压的模拟积分器。
24.一种逆变器，包括：
提供输出功率的多个开关器件，各开关器件具有栅极、导通行为和截止行为；
提供用于操作开关器件的开关信号的控制电路，所述控制电路接收从逆变器测量的工作条件，并且具有在控制电路中存储的逆变器的多个工作点，各工作点与对应控制信号关联；以及
耦合在控制电路与开关器件之间的电源电路，所述电源电路包括去饱和检测器，所述电源电路接收来自控制电路的开关信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，以便操作开关器件，
其中控制电路把从逆变器测量的工作条件与控制电路中存储的多个工作点进行比较，并向电源电路发送对应控制信号，以及
其中电源电路接收来自控制电路的对应控制信号，并向开关器件的栅极提供驱动信号，从而控制开关器件的导通或截止行为。
25.一种用于操作逆变器的开关器件的电路，所述开关器件具有栅极、导通行为和截止行为，所述电路包括：
用于采用开关信号来驱动开关器件的部件；
用于从逆变器测量工作条件的部件；
用于根据从逆变器测量的工作条件来确定控制信号的部件；
用于检测所述开关器件的去饱和的部件；以及
用于采用控制信号来驱动开关器件、以便根据从逆变器测量的工作条件来控制开关器件的导通或截止行为的部件。
26.如权利要求25所述的电路，其特征在于，所述用于根据从逆变器测量的工作条件来确定控制信号的部件包括：
用于存储与对应控制信号关联的多个工作点的部件；以及
用于把从逆变器测量的工作条件与多个工作点进行比较以确定对应控制信号的部件。
27.如权利要求25所述的电路，其特征在于，用于从逆变器测量工作条件的部件包括用于测量开关器件的输出电流、逆变器的DC链路电压和开关器件的温度的部件。
28.一种控制逆变器的开关器件的导通行为或截止行为的方法，包括以下步骤：
采用开关信号来驱动开关器件；
从逆变器测量工作条件；
根据从逆变器测量的工作条件来确定控制信号；
在开关器件的初始截止期间开关器件的去饱和开始之后的一个时间发送控制信号；以及
通过根据从逆变器测量的工作条件采用控制信号驱动开关器件，控制开关器件的导通或截止行为。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，根据从逆变器测量的工作条件来确定控制信号的步骤包括以下步骤：
存储与对应控制信号关联的多个工作点；以及
把从逆变器测量的工作条件与多个工作点进行比较以确定对应控制信号。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，从逆变器测量工作条件的步骤包括测量开关器件的输出电流、逆变器的DC链路电压和开关器件的温度的步骤。
31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，在开关器件的去饱和之后的所述时间发送控制信号的步骤在开关器件截止时开始，并且还包括在一段持续时间里发送控制信号并把开关器件的栅极-发射极电压保持在固定的正电平的步骤。
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