CN101820276A - 控制igbt的方法和栅极驱动器 - Google Patents

Abstract

提供了一种控制IGBT部件的方法和一种栅极驱动器。该方法包括如下步骤：利用两个单独的驱动器电路(DR1、DR2；DR1、DR23)产生用于控制该IGBT部件的棚极电压，其中驱动器电路的输出端连接到电阻部件(Ra、Rb)的串联连接的自由端，且该串联连接的中点形成该栅极电压。

Description

控制IGBT的方法和栅极驱动器

技术领域

本发明涉及栅极驱动器，更具体而言，涉及用于绝缘栅极双极晶体管(IGBT)的栅极驱动器。

背景技术

IGBT是通常在高功率应用中被用作开关的功率半导体部件。IGBT是栅极控制的部件，这意味着可以从IGBT的栅极接通和关断IGBT。

IGBT的特性使得在高功率应用中使用它们是非常有吸引力的，因为IGBT开关能够在高电压电平下开关大电流。此外，IGBT开关工作速度快，这意味着接通和关断损耗是可容忍的。这是因为作用于该部件上的电压和流过该部件的电流的同时时间很短。

IGBT需要能够对该部件的内部电容快速充电以便接通该部件的栅极驱动电路。类似地，栅极驱动电路从栅极移除电荷以便从该部件切断电流。栅极驱动器连接到该部件的栅极和发射极端子，该驱动器的目的是控制栅极相对于发射极的电位。当IGBT接通时，使得栅极电位相对于发射极电位为正；当需要关断时，使得栅极电位相对于发射极电位为负。

为此，栅极驱动器电路需要双侧辅助电压，从双侧辅助电压可以得到相对于发射极的正和负栅极电压。通常，该双侧电压从利用串联连接的电容器(使得这些电容器的中点连接到该受控部件的发射极)划分出的电压产生。于是可以控制相对于发射极的正或负电压施加于栅极。

栅极驱动器电路还必须能够在过大电流流过受控IGBT的情况下关断该部件。必须通过关断所考虑的部件来从电路中消除通常因短路而产生的过电流情况。正在传导过电流的IGBT不能以正常方式关断，因为迅速消除过大电流会在该部件的集电极和发射极之间产生电压尖峰。该电压尖峰可能毁坏该部件和与该部件相连的器件。

亦可操作为利用软关断消除短路电流的已知栅极驱动器电路是具有许多不同部件并因此需要大的表面积的复杂结构。第6335608号美国专利中给出了栅极驱动器电路的例子。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的栅极驱动器电路来克服上面的问题。本发明的目的是通过根据本发明的实施例的方法和栅极驱动器电路来实现的。还公开了本发明的优选实施例。

本发明基于如下思想：使用两个控制输入来控制IGBT部件。电阻部件连接到这些控制输入的输出；取决于这些控制输入的状态，电阻部件形成分压器，并且将受控IGBT的栅极设置于多个辅助电压之间的电位。由此利用该电阻分压器从辅助电压产生了该电位，该电位适合于使IGBT软脱离过电流状态。

本发明的优点是：可以用最少量的额外部件实现软关断特征，并且该特征与栅极驱动器中的正常接通和关断特征无缝地结合。本发明的特征是利用简单的设计、通过使用经良好测试的常用部件来实现的。当所需部件的数目很小时，这些部件所需要的空间也很小，从而在具有受控IGBT开关的电气设备的外壳中占用显著更小的空间。

附图说明

下面，参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1、图2、图3和图4示出了本发明的栅极驱动器的不同实施例。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例。利用两个单独的控制信号CTRL1和CTRL2执行对IGBT的控制。这两个控制信号控制单独的驱动器电路DR1和DR2，其中DR1和DR2是推挽型光耦合器。具有正、负总线VCC+、VCC-的辅助电压连接到驱动器电路的供电电压。根据控制信号控制驱动器电路，使得驱动器电路的输出处于辅助电压的正总线电位或负总线电位，即高或低。驱动器电路DR1、DR2例如是作为快速部件并且由电流驱动的光耦合器。因此，驱动器电路中有电流代表“通”状态，而驱动器电路中没有电流代表“断”状态。

在本发明的电路中，电阻部件Ra的一个端子连接到驱动器电路之一DR1的输出端，电阻部件Rb的一个端子连接到另一个驱动器电路DR2的输出端。进一步地，这两个电阻部件的另一个端子连接在一起。这两个电阻部件由此串联连接在驱动器电路DR1、DR2的输出端之间。

电阻部件Ra、Rb之间的连接节点提供栅极电压，该连接节点进一步连接到输出级10，输出级10用于驱动受控IGBT开关。图1中的输出级10由两个晶体管和一个电阻器组成，其中电阻器用于向晶体管的栅极提供高于发射极电压的电压。然而，电阻器不是输出级的工作所必需的。输出级中的电阻器当就位时连接在这两个晶体管的栅极和发射极之间。进一步地，其中一个晶体管的集电极连接到正总线VCC+，另一个晶体管的集电极连接到负总线VCC-。输出级10的目的是将与其输入端的电压相同的电压输出到受控IGBT的栅极。该输出级可提供大电流，因此它适合于控制IGBT开关。

图1还示出了辅助电压的正总线和负总线之间的电容器串联连接。这些电容器之间的中点连接到受控IGBT的发射极，使得栅极驱动器可以将栅极控制在相对于发射极的负电位或正电位。

图1还示出了栅极电阻器Rg，栅极电阻器Rg常用于当IGBT受控制时减缓电压变化率。

根据本发明的方法，控制两个单独的驱动器电路来产生用于控制IGBT开关的栅极电压；取决于对驱动器电路的控制，栅极电压具有三个不同的值。

在图1中，当两个驱动器电路DR1、DR2被控制为使得它们的输出都处于正电位VCC+时，在电阻部件Ra、Rb的公共节点处产生的栅极电压也处于高电位，即正电位VCC+。由此，所产生的栅极电压被馈送到输出级，输出级的输出跟随栅极电压并产生电流以接通IGBT或使其保持在导通状态。

当两个驱动器电路DR1、DR2被控制为关断时，它们的输出对应于低电位，即负电位VCC-。栅极电压也呈现相同的电位，且输出级10利用相同的电压控制IGBT并由此将IGBT关断或使其保持在截止状态。

在IGBT开关接通并且注意到过大电流流过IGBT开关的情况下，必须使IGBT开关软进入非导通状态。根据本发明的方法，控制这两个驱动器电路通过建立电阻分压器提供具有降低的值的栅极电压。栅极电压在电阻部件Ra、Rb之间的中点产生，电阻部件Ra、Rb形成电阻分压器并且根据电阻的比率对辅助电压进行分压。如果将负电位VCC-和正电位VCC+之间的电压记为VCC并将电阻部件的电阻记为Ra和Rb，则栅极电压将是VCC×Ra/(Ra+Rb)(如果电阻部件Ra是上部件)，即，栅极电压被切换到正电位VCC +。

电阻的比率由此限定了软关断期间的栅极电压。栅极电压应被选择为正的(即，高于馈送到IGBT的发射极的电压)，使得IGBT仍将保持在导通状态。尽管栅极电压是正的，但是它仍显著低于正常接通电压。这将削弱该部件的电流传导能力，因此电流变小。栅极电压保持在该降低的电平达一定时间，然后正常关断栅极电压被用于将该部件控制在截止状态。

根据本发明的栅极驱动器还实现了接通和关断过程的极化(polarization)。在现有技术中通常使用具有不同电阻的栅极电阻器来接通和关断。这些电阻器经由二极管连接到栅极，二极管根据电流方向选择电阻器。

例如，当通过延迟对另一个驱动器电路的控制来执行接通时，栅极电压首先上升到由电阻分压限定的电平。在该延迟之后，这两个驱动器电路都被控制在高状态。这样，可使得栅极电压逐步上升。

类似地，可逐步执行关断过程。开关过程的这种极化的目的是影响主电路中的二极管的电流拖尾以及电压变化率。已知高的电压变化率会造成有关EMC的问题；当拖尾电流被切断时，它会造成高压尖峰。这两种有害影响都可以通过逐步升高栅极电压从而控制电压变化率来消除。

图2示出了本发明的另一个实施例，其中电阻器之一经由二极管D1连接到驱动器电路的输出端。在其它方面，图2的结构对应于图1的结构。与电阻器串联连接的二极管这样影响该电路：即，使得正常的接通和关断只利用其中一个驱动器电路来执行，而另一个驱动器电路被控制在高电位。在图2的电路中，正常的接通和关断过程利用驱动器电路DR1来执行，而驱动器电路DR2的输出被控制在电位VCC+。二极管D1连接到驱动器电路DR2的输出端，使得二极管的阴极连接到该输出端。当驱动器电路DR2的输出端连接到高电位时，二极管截止来自该高电位的电压，因此栅极电压完全由驱动器电路DR1的输出限定。

当驱动器电路DR2的输出被控制在低电位并且驱动器电路DR1的输出被控制在高电位时，形成电阻分压器，并如图1中那样形成栅极电压。图2的实施例在一定程度上简化了控制，因为在正常工作中只有一个驱动器电路需要主动控制。当过电流情况发生时，控制模式改变且驱动器电路DR2也需要主动控制。

图3示出了本发明的另一个实施例。该实施例与图1的实施例的不同之处在于：一个驱动器电路DR23以集电极开路型光耦合器实现。当将控制信号施加于图3中的驱动器电路DR23的输入端时，该电路内部的晶体管导通并将集电极拉到发射极的电位，即VCC-。当不向电路DR23施加控制时，该内部晶体管不导通，另一个驱动器电路DR1对在串联连接的电阻器Ra、Rb之间看到的栅极电压的值进行控制。

由此，通过控制驱动器电路DR1并保持驱动器电路DR23不受控制来执行对IGBT的控制。当检测到过电流时，驱动器电路DR23被主动控制，从而迫使其输出低值。当同时驱动器电路DR1也被主动控制时，电阻连接在辅助电压上。这将栅极电压设置在用于启动受控IGBT的软关断的期望值。栅极电压处于该电平达几微秒后，驱动器电路就被控制在低状态以产生用于完全关断IGBT的负栅极电压。

图4示出了本发明的又一个实施例。该实施例的电路结构与图1的实施例的不同之处在于：该电路包括轨至轨(rail-to-rail)缓冲器或运算放大器41。该缓冲器电路41的输入端连接到串联连接的电阻部件之间的节点，即，连接到栅极电压。该缓冲器电路从辅助电压VCC+、VCC-接收其工作电压，并将对应于栅极电压的电压输出到输出级的输入节点。

由于轨到轨缓冲器或运算放大器41的存在，与其中驱动器电路直接控制输出级的电路中相比，电阻部件Ra、Rb的电阻可以选择为具有较高的值，且驱动器电路DR1、DR2可以选择为具有较低的额定电流。当缓冲器电路41在使用中时，它用于馈送所需的电流以驱动输出级。缓冲器电路41的使用使得能够使用较廉价的驱动器电路DR1、DR2并且有助于最小化栅极驱动器中的损耗。

本领域的技术人员明白，栅极驱动器电路的各部分可以用不同的部件来实现。这适用于栅极驱动器电路的每一部分，包括输入级(即，用于驱动器电路、驱动器级和输出级的控制信号的产生)。本领域的技术人员还将明白，随着技术的进步，本发明的概念可以用各种方式来实现。本发明及其实施例不限于上述例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (12)

1.一种控制IGBT部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

利用两个单独的驱动器电路(DR1、DR2；DR1、DR23)产生用于控制所述IGBT部件的栅极电压，其中所述驱动器电路的输出端连接到电阻部件(Ra、Rb)的串联连接的自由端，且所述串联连接的中点形成所述栅极电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述IGBT部件承载过电流时，所述方法包括如下步骤：

将一个驱动器电路的输出控制在高电位并且将另一个驱动器电路的输出控制在低电位，从而将电阻部件的所述串联连接的中点设置于所述高电位和低电位之间的电位，以启动所述IGBT部件的关断。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

在启动了所述IGBT的关断并且将所述栅极电压控制在所述高电位和低电位之间的电位之后，将电阻部件的所述串联连接的中点控制在低电位。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

当希望所述IGBT接通时，将电阻部件的所述串联连接的中点控制在高电位。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

当希望所述IGBT关断时，将电阻部件的所述串联连接的中点控制在低电位。

6.一种产生用于控制IGBT部件的栅极电压的栅极驱动器电路，其特征在于，所述栅极驱动器电路包括：

两个单独的驱动器电路(DR1、DR2；DR1、DR23)；

电阻部件(Ra、Rb)的串联连接，其中所述驱动器电路的输出端连接到电阻部件(Ra、Rb)的所述串联连接的自由端，且所述串联连接的中点被设置为形成用于控制所述IGBT部件的所述栅极电压。

7.根据权利要求6所述的栅极驱动器电路，其特征在于，所述驱动器电路可操作为控制其输出，使得电阻部件的所述串联连接形成将所述电阻部件的中点设置于高状态和低状态之间的电位的电阻分压器。

8.根据权利要求6或7所述的栅极驱动器电路，其特征在于，所述驱动器电路是能够将其输出控制在高电位和低电位的光耦合器。

9.根据权利要求8所述的栅极驱动器电路，其特征在于，所述栅极驱动器电路包括二极管(D1)，所述二极管连接在所述驱动器电路之一的输出端和电阻部件的所述串联连接之间，使得所述二极管的阴极连接到所述驱动器电路的输出端，

其中接通电压和关断电压是使用一个驱动器电路产生的，而具有所述二极管的另一个驱动器电路的输出处于所述高状态；

并且其中通过将具有所述二极管的驱动器电路控制在低状态并且将另一个驱动器电路控制在高状态，所述电阻分压器的中点被设置于所述高状态和低状态之间的电位。

10.根据权利要求6或7所述的栅极驱动器电路，其特征在于，其中一个驱动器电路是集电极开路型光耦合器(DR23)且另一个驱动器电路是推挽型光耦合器(DR1)，

其中所述集电极开路型光耦合器的输出保持在所述高状态，而接通电压和关断电压是使用所述推挽型光耦合器产生的；

并且其中通过将所述集电极开路型光耦合器的输出控制在低状态并且将所述推挽型光耦合器的输出控制在高状态，所述电阻分压器的中点被设置于所述高状态和低状态之间的电位。

11.根据前述权利要求6至10中的任一项所述的栅极驱动器电路，其特征在于，所述栅极驱动器电路还包括连接到电阻部件的所述串联连接的中点的输出级(10)，所述输出级产生用于驱动所述受控IGBT部件的栅极的电压。

12.根据权利要求11所述的栅极驱动器电路，其特征在于，所述栅极驱动器电路还包括连接在电阻部件的所述串联连接的中点和所述输出级之间的缓冲器电路(41)。

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