CN104378097B - 一种绝缘栅双极型晶体管的驱动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管的驱动系统，所述系统包含：绝缘栅双极型晶体管；第一电容，其连接在所述栅极与所述发射极之间；电流驱动器，其包含第一电流输出接口和第二电流输出接口，所述第一电流输出接口和第二电流输出接口分别连接到所述第一电容的两端。本发明还公开了一种绝缘栅双极型晶体管的驱动方法，所述方法包含以下步骤：开通信号获取；电容充电，开通所述绝缘栅双极型晶体管；关断信号获取；电容放电，关断所述绝缘栅双极型晶体管。利用本发明的驱动系统及方法可以控制绝缘栅双极型晶体管的开通/关断速度，从而协调绝缘栅双极型晶体管的通断频率和通断损耗，使绝缘栅双极型晶体管达到更理想的工作状态。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管的驱动系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体说涉及一种绝缘栅双极型晶体管的驱动系统及方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)作为第三代半导体器件已经普遍应用于工业传动、电力机车、风力发电、家用电器等领域。随着IGBT器件的不断发展和进步，IGBT的高频和低损耗需求是各个领域的强烈需求。而IGBT的通断频率和通断损耗这两个因素又恰恰互相制约，随着通断频率的增高，损耗也增大。因此在实际操作中通常根据实际需要来协调IGBT的通断频率和通断损耗，使IGBT达到一个尽可能理想的工作状态。
现有技术中，在驱动IGBT时通常采用电压型驱动器来控制IGBT的通断。这种驱动IGBT的方式只需要提供隔离的恒压电源和信号。但是利用电压型驱动器驱动IGBT时，其通断过程由固定的栅极电阻和IGBT的特性决定，整个通断过程不可控。这就导致无法从IGBT的通断过程入手来控制IGBT的通断频率以及通断损耗。
因此，针对现有技术驱动IGBT过程中存在的开通/关断过程不可控的问题，需要一种新的驱动方法以控制IGBT的通断，从而以达到更为理想的通断频率以及通断损耗。
发明内容
针对现有技术驱动IGBT过程中存在的开通/关断过程不可控的问题，本发明提供了一种绝缘栅双极型晶体管的驱动系统，所述系统包含：
绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管包含栅极、发射极和集电极；
第一电容，其连接在所述栅极与所述发射极之间；
电流驱动器，其包含第一电流输出接口和第二电流输出接口，所述第一电流输出接口和第二电流输出接口分别连接到所述第一电容的两端，所述电流驱动器用于输出电流，从而对所述第一电容进行充/放电操作，进而控制所述绝缘栅双极型晶体管的开通/关断。
在一实施例中，所述电流驱动器还包含反馈电压输入接口，所述系统还包含第二电容，所述第二电容连接在所述反馈电压输入接口与所述集电极之间，用于将所述发射极与所述集电极之间的电压反馈给所述电流驱动器。
在一实施例中，所述电流驱动器还包含通断信号接收接口，用于获取通断信号。
在一实施例中，所述通断信号接收接口连接到微处理器，所述通断信号为微处理器发出的基于脉宽调制技术的脉冲。
本发明还提供了一种绝缘栅双极型晶体管的驱动方法，所述方法包含以下步骤：
开通信号获取步骤，获取开通信号并输出所述开通信号到电流驱动器；
电容充电步骤，所述电流驱动器根据所述开通信号输出第一电流，从而给第一电容充电直到所述第一电容两端的电压达到第一特定值，所述绝缘栅双极型晶体管开通。
在一实施例中，所述方法还包含以下步骤：
关断信号获取步骤，获取关断信号并输出所述关断信号到所述电流驱动器；
电容放电步骤，所述电流驱动器根据所述关断信号输出第二电流，从而给所述第一电容放电直到所述第一电容放电完毕，所述绝缘栅双极型晶体管关断。
在一实施例中，所述第一电流与所述第二电流极性相反。
在一实施例中，所述方法还包含反馈调节步骤，基于所述绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极之间的电压变化率调节所述第一电流/所述第二电流，从而控制所述绝缘栅双极型晶体管的开通/关断速度。
在一实施例中，在所述反馈调节步骤中，当所述发射极和集电极之间的电压变化率小于第二特定值时，加大所述第一电流或所述第二电流，从而加快所述绝缘栅双极型晶体管的开通或关断速度。
在一实施例中，在所述反馈调节步骤中，当所述发射极和集电极之间的电压变化率大于第三特定值时，减小所述第一电流或所述第二电流，从而减缓所述绝缘栅双极型晶体管的开通或关断速度。
与现有技术相比，本发明的驱动系统及方法可以控制绝缘栅双极型晶体管的开通/关断速度，从而协调绝缘栅双极型晶体管的通断频率和通断损耗，使绝缘栅双极型晶体管达到更理想的工作状态。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是绝缘栅双极型晶体管的结构简图；
图2是根据本发明一实施例的绝缘栅双极型晶体管驱动系统结构简图；
图3是绝缘栅双极型晶体管开通过程中的电压-时间曲线图；
图4和图5是根据本发明一实施例的驱动方法的执行流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
如图1所示，虚线方框内为一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的简图，其中标记为G、C以及E的接口分别为IGBT的栅极(Gate、简称G)、集电极(Collector、简称C)以及发射极(Emitter、简称E)。电容CGC和CGE为IGBT的寄生电容。现有技术通常采用电压型驱动器来控制IGBT的开通、关断。即在栅极G上接入一电压型驱动器，通过电压型驱动器向栅极G输出驱动电压来开通或关断IGBT。
在利用现有技术中的驱动方法开通或关断IGBT时，由于整个开通或关断的过程是不可控的，因此无法从IGBT的通断过程入手来控制IGBT的通断频率以及通断损耗。并且在利用电压型驱动器关断IGBT时，如果将较大电流关断，由于主回路寄生电感的存在会导致IGBT发射极与集电极之间的电压超出IGBT的安全工作区，从而导致IGBT的损坏。虽然加大栅极电阻可以减小IGBT的关断速度，但那样会增加IGBT的损耗。
为解决上述问题，本发明公开了一种新的IGBT驱动系统。如图2所示，图2中虚线框内的即为图1所示的IGBT器件。标记为G、C以及E的接口分别为IGBT的栅极(Gate、简称G)、集电极(Collector、简称C)以及发射极(Emitter、简称E)。电容CGC和CGE为IGBT的寄生电容。
在本实施例中，本发明的IGBT驱动系统包括电容C1以及电流驱动器210，其中：
电容C1连接在栅极G与发射极E之间；
电流驱动器210，其包含第一电流输出接口211和第二电流输出接口212，211和212分别连接到电容C1的两端。
由于电容C1连接栅极G与发射极E之间，电容C1两端的电压变化直接影响到栅极G与发射极E之间的电压。驱动系统工作时，电流驱动器210通过211以及212输出电流，对电容C1进行充/放电操作，从而控制电容C1两端的电压，进而控制IGBT的开通/关断。
下面描述IGBT的开通/关断过程。首先针对开通过程，图3中由上而下三个坐标系分别为：
栅极G与发射极E之间的电压VGE与时间t的关系坐标(VGE-t)；
集电极C与发射极E之间的电压VCE与时间t的关系坐标(VCE-t)；
从集电极C流入IGBT的电流IC与时间t的关系坐标(IC-t)。
图3中纵向虚线301、302、303、304以及305分别代表IGBT开通过程中的某时间点，假设在纵向虚线301所表示的时间点IGBT开始开通过程。正常运行时，在IGBT发射极和集电极上施加工作电压，假设IGBT的初始状态为关断状态。IGBT的开通过程分为以下几个阶段，结合图2以及图3所示：
第一阶段(301-302)，电流驱动器210通过211输出电流从而为电容C1充电，IGBT的栅极G与发射极E之间的电压VGE从电压值VGE(Off)(VGE(Off)为IGBT处于关断状态时栅极G与发射极E之间的电压)开始升高，直到达到电压值VGE(th)(VGE(th)为IGBT的固有参数，由IGBT产品的性能决定)。
第二阶段(302-303)，电流驱动器210继续为电容C1充电，栅极G与发射极E之间的电压VGE升高，直到达到电压值VGE(pl)(VGE(pl)为IGBT的固有参数，由IGBT产品的性能决定)；与此同时，从集电极C流入IGBT的电流IC从0开始增大，直到达到电流值IC(load)(IC(load)为IGBT开通后正常工作的工作电流)。
第三阶段(303-304)，电流驱动器210继续为电容C1充电，栅极G与发射极E之间的电压VGE保持不变，从集电极C流入IGBT的电流IC保持不变；与此同时，集电极C与发射极E之间的电压VCE从电压值VCC(VCC为IGBT处于关闭状态时集电极C与发射极E之间的电压)开始减小，VCE减小到饱和压降电压值VCE(sat)(VCE(sat)为IGBT的固有参数，由IGBT产品的性能决定)时第三阶段完成。
第四阶段(304-305)，电流驱动器210继续为电容C1充电，栅极G与发射极E之间的电压VGE升高，直到达到开通电压值VGE(On)(VGE(On)为IGBT的固有参数，由IGBT驱动器输出特性决定)，此时IGBT完成开通过程。在此之后维持栅极G与发射极E之间的电压VGE不变，从而保持IGBT处于开通状态。
针对IGBT的关断过程，在关断IGBT时，电流驱动器210利用212接口输出电流。不难理解，相对于开通过程中从211接口输出的电流，此时输出的是极性相反的电流。在此电流作用下，使得开通过程中被充电的C1进行放电。从而栅极G与发射极E之间的电压VGE降低，最终导致IGBT关断。由于IGBT的关断过程为其开通过程的逆过程，其进行过程的各个阶段是开通过程的各个阶段的逆序，因此就不再赘述。
基于上述IGBT完成开通/关断过程可以看出，本发明的驱动系统通过给电容C1进行充放电操作来控制栅极G与发射极E之间的电压VGE。不难理解，改变电流驱动器210输出的电流，即可以改变电容C1的充放电速度，从而就可以改变IGBT的开通/关断速度，进而最终达到对IGBT的开通/关断过程的控制。
本发明的驱动系统通过电流输出以控制IGBT的开通关断，从而提升IGBT通断频率或是降低IGBT开通关断过程的损耗，以满足应用需求。同时，利用本发明的驱动系统可以准确有效的采取过流保护，使IGBT工作的更安全。
为了通过控制IGBT的开通/关断来进一步协调IGBT的通断频率以及通断损耗，如图2所示，本实施例的电流驱动器210还包含反馈电压输入接口214。对应的，本实施例的驱动系统还包含电容C2。电容C2连接在反馈电压输入接口214与集电极C之间，用于将发射极E与集电极C之间的电压反馈给电流驱动器210。
在本实施例中，电流驱动器210根据电容C2的反馈获取发射极E与集电极C之间的电压，从而判断IGBT的通断状态。与此同时，电流驱动器210还根据电容C2的反馈获取发射极E与集电极C之间的电压变化率(dV/dt)。
在IGBT工作之前，首先根据IGBT固有的性能参数、外围电路以及使用环境等实际情况确定IGBT正常工作时dV/dt的理想范围。当dV/dt小于理想范围的下限时，加大电流驱动器210输出的电流(从211输出的充电电流或从212输出的放电电流)，从而加快电容C1的充放电速度，进而加快IGBT的开通或关断速度。当dV/dt小于理想范围的下限时，加大电流驱动器210输出的电流(从211输出的充电电流或从212输出的放电电流)，从而加快电容C1的充放电速度，进而加快IGBT的开通或关断速度。
基于上述过程，本发明的驱动系统可以自动调节IGBT的通断频率，使得IGBT工作在理想工作状态下。利用本发明的驱动系统，减少了外围保护电路的构建，精简了外围电路。
在本实施例中，电流驱动器210是根据外部的通断信号来确定开通/关断IGBT的时间。如图1所示，电流驱动器210还包含通断信号接收接口213，用于获取通断信号。在本实施例中，通断信号接收接口连接到外部的微处理器。外部的微处理器输出基于脉宽调制技术(Pulse Width Modulation，简称PWM)的脉冲作为通断信号。
基于上述驱动系统，本发明还公开了一种IGBT的驱动方法，接下来结合流程图(图4和图5)以及图2来说明本发明的驱动方法的执行步骤。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
正常运行时，在IGBT发射极E和集电极C上施加工作电压，假设IGBT的初始状态为关断状态。如图4所示，首先执行步骤S410，开通信号获取。在此步骤中外部电路输出开通信号到电流驱动器210。然后执行步骤S420，电容充电步骤。在步骤S420中，电流驱动器210基于开通信号从接口211输出充电电流，从而给电容C1充电直到IGBT开通。最后执行步骤S430，维持电容C1上的电压，从而保持IGBT处于开通状态。由于降低电容器两端的电压，当故障时，能够降低IGBT的退饱和电流，并且能够减小关断电压尖峰，更有效的保护IGBT。因此在本实施例的步骤S430中，在不影响保持IGBT处于开通状态的前提下，首先降低电容C1两端的电压值，然后再维持电容C1上的电压。
如果需要关断处于开通状态的IGBT，则首先执行S440，关断信号获取步骤，外围电路输出关断信号到电流驱动器210.然后执行步骤S450，电容放电步骤。在步骤S450中，电流驱动器210基于关断信号从接口212输出放电电流，从而给电容C1放电直到IGBT关断。最后执行步骤S460，维持电容C1上的电压，从而保持IGBT处于关断状态。
在步骤S420以及S450具体执行的过程中，本发明的驱动方法还加入了状态判断步骤。图5的流程图为执行步骤S420以及S450的具体过程。由于步骤S420以及S450的具体执行过程相同，在此同时说明这两个步骤。如图5所示，首先执行步骤S510，电流驱动器210输出充/放电电流，从而给电容C1进行充/放电。
在执行步骤S510的过程中，执行步骤S520，获取电压反馈，即获取IGBT的栅极G和发射极E之间的电压或者是发射极E和集电极C之间的电压。在本实施例中，如图2所示，利用电容C2获取发射极E和集电极C之间的电压。接下来执行步骤S530，电流驱动器210基于上一步骤中获取的电压反馈来判断IGBT的通断状态。
不难理解，基于图3所示，如果栅极G和发射极E之间的电压达到开通电压值(VGE(On))时IGBT开通，同时如果发射极E和集电极C之间的电压达到或者是低于饱和电压值(VCE(sat))时IGBT开通。相同的，如果栅极G和发射极E之间的电压达到关断电压值(VGE(Off)时IGBT关断，同时如果发射极E和集电极C之间的电压达到工作电压值(VCC)时IGBT关断。
当判断IGBT开通/关断过程完毕时，电容的充放电步骤(S420以及S450)完成，即可执行后面的维持步骤(S430以及S460)。
在IGBT的开通/关闭过程中，其发射极E和集电极C之间的电压变化率可以间接反映其开关频率以及开关损耗。因此，根据IGBT理想的开关频率以及开关损耗，结合IGBT自身固有参数以及外围电路情况等实际因素可以确定IGBT开通或关断过程中的电压变化率理想范围。不难理解，如果在开通或关断过程中，发射极E和集电极C之间的电压变化率超出理想范围则说明此时的IGBT的开关频率或是开关损耗不理想，甚至IGBT可能工作于危险状态。当判断IGBT通断过程没有完成时，为了具体的调节IGBT的通断过程，从而调节IGBT的开关频率以及开关损耗，如图5所示本法明的驱动方法还包含以下步骤。
首先是步骤S540，电压变化率获取步骤。在本实施例中，步骤S540是利用电容C2获取发射极E和集电极C之间的电压变化率。然后执行步骤S541，电流驱动器210分析获取到的电压变化率。
当电压变化率低于理想范围的下限时，执行步骤S511，加大电流驱动器210输出的充/放电电流，从而加快电容C1的充/放电速度，进而加快IGBT的通断速度。
当电压变化率高于理想范围的上限时，执行步骤S512，减小电流驱动器210输出的充/放电电流，从而减慢电容C1的充/放电速度，进而减慢IGBT的通断速度。
当然的，当电压变化率处于理想范围时，执行步骤S513，维持当前输出的充/放电电流。
基于上述调节步骤，本发明的驱动方法可以在IGBT通断控制过程中，实时调整IGBT通断频率以及通断损耗，以满足应用需求。同时，基于上述对通断频率以及通断损耗的调整，本发明的驱动方法可以准确有效的采取实时过流保护，使IGBT工作的更安全。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种绝缘栅双极型晶体管的驱动系统，所述系统包含：
绝缘栅双极型晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管包含栅极、发射极和集电极；
第一电容，其连接在所述栅极与所述发射极之间；
电流驱动器，其包含第一电流输出接口和第二电流输出接口，所述第一电流输出接口和第二电流输出接口分别连接到所述第一电容的两端，所述电流驱动器用于输出电流，从而对所述第一电容进行充/放电操作，进而控制所述绝缘栅双极型晶体管的开通/关断；
其中，所述电流驱动器还包含反馈电压输入接口，所述系统还包含第二电容，所述第二电容连接在所述反馈电压输入接口与所述集电极之间，用于将所述发射极与所述集电极之间的电压和电压变化率反馈给所述电流驱动器，并且
当所述电压变化率小于所述电压变化率的理想范围的下限时，加大所述电流驱动器输出的电流，从而加快所述第一电容的充放电速度，其中所述电压变化率的理想范围是在所述绝缘栅双极型晶体管工作之前确定的所述绝缘栅双极型晶体管正常工作时的所述电压变化率的范围。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流驱动器还包含通断信号接收接口，用于获取通断信号。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述通断信号接收接口连接到微处理器，所述通断信号为微处理器发出的基于脉宽调制技术的脉冲。
4.一种采用如权利要求1-3中任一项所述系统的驱动方法，所述方法包含以下步骤：
开通信号获取步骤，获取开通信号并输出所述开通信号到电流驱动器；
电容充电步骤，所述电流驱动器根据所述开通信号输出第一电流，从而给第一电容充电直到所述第一电容两端的电压达到第一特定值，所述绝缘栅双极型晶体管开通。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包含以下步骤：
关断信号获取步骤，获取关断信号并输出所述关断信号到所述电流驱动器；
电容放电步骤，所述电流驱动器根据所述关断信号输出第二电流，从而给所述第一电容放电直到所述第一电容放电完毕，所述绝缘栅双极型晶体管关断。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一电流与所述第二电流极性相反。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包含反馈调节步骤，基于所述绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极之间的电压变化率调节所述第一电流/所述第二电流，从而控制所述绝缘栅双极型晶体管的开通/关断速度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述反馈调节步骤中，当所述发射极和集电极之间的电压变化率小于第二特定值时，加大所述第一电流或所述第二电流，从而加快所述绝缘栅双极型晶体管的开通或关断速度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述反馈调节步骤中，当所述发射极和集电极之间的电压变化率大于第三特定值时，减小所述第一电流或所述第二电流，从而减缓所述绝缘栅双极型晶体管的开通或关断速度。
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