CN104426514A - 控制半导体开关元件断开的方法及电路 - Google Patents

控制半导体开关元件断开的方法及电路 Download PDF

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CN104426514A CN201410387750.9A CN201410387750A CN104426514A CN 104426514 A CN104426514 A CN 104426514A CN 201410387750 A CN201410387750 A CN 201410387750A CN 104426514 A CN104426514 A CN 104426514A
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Abstract

本公开涉及控制半导体开关元件断开的方法及电路。电路执行了控制半导体开关元件断开的方法(400)。方法包括在第一操作周期期间(402)确定半导体开关元件的至少一个操作参数以及基于至少一个操作参数确定(406,410,412)栅极放电电流。方法还包括在后续操作周期期间给半导体开关元件的栅极提供(428)栅极放电电流以断开半导体开关元件。

Description

控制半导体开关元件断开的方法及电路
技术领域
本公开通常涉及半导体开关元件，并且更具体地说，涉及一种控制半导体开关元件断开的方法和电路。
背景技术
被称为功率半导体器件的一类半导体开关元件被用于帮助给重负载供电，例如大型电器以及用于电动汽车和混合动力汽车的电机，它们都需要高电流，例如几百安培。这些半导体开关元件包括诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的器件。
半导体开关元件在操作期间的过载可能会是个问题。尤其，超过跨器件电流端子的额定电压可能会长期损坏和/或破坏器件。一种控制跨半导体开关元件的电流端子电压的常规技术是将固定电阻耦接于该器件的控制端子。这个固定电阻可以被设置以阻止通过跨半导体开关元件电流端子的电压超过它的额定电压。然而，不好的效果就是该固定电阻也固定了半导体开关元件的断开速度，因此，导致半导体开关元件在它很大一部分操作时间内以低于最佳断开速度的速度操作。亚最佳的断开速度导致较高的开关损耗以及较低的系统效率。
附图说明
在附图中，相似的参考符号指所有的单独视图中相同的或者在功能上相似的元件。附图连同下面的详细描述被并入并且形成部分说明书，并且用于进一步说明包括了请求保护的发明的概念的实施例并且解释了那些实施例的各种原理以及优点。
图1根据实施例，是说明了半导体开关元件和断开半导体开关元件的检测和控制电路的电路和块图(circuit and block diagram)。
图2是说明了图1中所示出的检测和控制电路内的可变驱动下拉电路的实施例的电路图。
图3根据实施例，是说明了用于给电机供电的三相系统的电路和块图，其中该系统结合了图1和图2中所示出的电路。
图4根据实施例，是说明了控制半导体开关元件断开的方法的流程图。
本公开是通过示例的方式来说明的并且没有被附图所限制，在附图中相似的参考符号表示相似的元素。技术人员将理解的是附图中的元素是为了简便以及清晰起见来说明的，并且不一定按比例绘制。例如，附图中一些元件的尺寸相对于其它元件可以被扩大以有助于提高对本公开实施例的理解。
设备和方法组件在适当的地方是通过附图中的常规符号表示的，仅仅示出了那些和理解本公开的实施例有关的具体细节以便不会将本公开与对受益于本公开说明书的本领域普通技术人员来说很明显的细节进行混淆。同样，包括在流程图中的功能并不暗示执行本发明所包含的功能的必需顺序。
具体实施方式
根据本发明所教导的是一种减小在半导体开关元件(例如功率IGBT和MOSFET)中开关损耗的方法和电路。尤其，半导体开关元件的断开速度被动态地调整以优化功率半导体器件的性能以实现开关损耗的减小。
根据一个实施例的是一种控制半导体开关元件断开的方法。该方法包括在第一操作周期期间确定半导体开关元件的至少一个操作参数，以及基于所述至少一个操作参数确定控制端子放电电流。该方法还包括在后续的第二操作周期期间给半导体开关元件的控制端子提供控制端子放电电流以断开半导体开关元件。
根据另一个实施例的是控制半导体开关元件断开的电路。该电路包括具有第一和第二端子和控制端子和耦接于半导体开关元件的控制端子的检测和控制电路。其该检测和控制电路包括至少一个被配置以在操作周期期间确定半导体开关元件的至少一个操作参数的至少一个检测电路和耦接于所述至少一个检测电路的控制逻辑。该控制逻辑被配置以接收所述至少一个操作参数的指示以及基于所述至少一个操作参数确定控制端子放电电流。该检测和控制电路还包括耦接于控制逻辑和所述半导体开关元件的可变驱动下拉电路。该可变驱动下拉电路被配置以从控制逻辑接收控制信号以用于在后续操作周期期间给半导体开关元件的控制端子提供控制端子电流以断开半导体开关元件。在实施例中，一个或多个操作参数在每一个操作周期都被评估并且如果需要的话，在接下来的操作周期期间(例如在接下来的半导体开关元件断开事件期间)对控制端子放电电流做出调整。在其它实施例中，操作参数评估和放电电流调整被较不频繁地执行。
现在转向通过参考附图所说明的至少一些实施例的详细描述。图1根据实施例，是说明半导体开关元件102和断开半导体开关元件的检测和控制电路132的电路和块图100。检测和控制电路132分别在节点118、120和122耦接于第一和第二电流端子T1和T2以及耦接半导体开关元件102的控制端子G。通常，控制端子可以是栅极或基极端子，取决于半导体开关元件的特定晶体管技术。被施加于控制端子G的电压或电流控制了流过电流端子T1和T2的电流，这进而控制提供给耦接于半导体开关元件102的负载器件(未示出)的电流。
在一个实施例中，半导体开关元件102是IGBT 104,其中该IGBT104具有作为电流端子T1的集电极端子或集电极、作为电流端子T2的发射极端子或发射极、作为控制端子G的栅极端子。因此，控制端子在本发明中可互换地被称为栅极端子或栅极。在另一个实施例中，二极管128耦接于IGBT 104的集电极端子和直流(DC)总线(在图1中未示出，例如在图3中所示出的节点340处的VDD)之间。二极管128可以是任何适当类型的二极管，包括但不限于p-n二极管、肖特基二极管等等。在例如包括了IGBT 104和第二IGBT(未示出)的桥接电路中，二极管128的阳极被连接到IGBT 104的集电极端子，以及二极管128的阴极被连接到DC总线。这样的排列在图3中所示出的IGBT318和二极管322(桥接电路的“低”端)之间被显示出。图3还示出了图3所示出的IGBT316和二极管320(例如，桥接电路的“高”端)之间的相似排列。当半导体开关元件104(318)断开的时候，二极管128(和322)给源自负载(例如，图3中所示出的电机314)的感应电流提供电路路径。在使用时耦接于寄生引线电感的该二极管的瞬态响应时间使得对元件102的开关速度的控制变得重要。降低元件102的开关速度减小节点118和节点120之间在开关元件102断开时的电压瞬变的大小。图3的二极管322提供了相似功能，正如图3中的每一个二极管给其相应的IGBT提供的功能一样。
因此，IGBT 104在节点118进一步耦接于也简称为负载的负载器件(图1中未示出)并且充当开关以使能或允许提供负载电流Iload以给负载供电。在实施例中，节点118也耦接于第二IGBT(未示出)使得两个IGBT以桥接结构排列，例如在图3中所说明的，用于提供Iload。而且，在该说明的实施例中，节点120进一步耦接于共用电压140，其中该共用电压在IGBT 104被接通时所处于的电压比提供给节点118的电压更低。例如，该共用电压大约是0伏特(V)，例如，结合了在100处所说明的电路的系统(诸如在图3中所示出的并且之后会被描述系统300)的电接地。
本说明书所教导的实施例参考IGBT(例如，104)被主要描述为半导体开关元件102。然而，在替代实施例中，半导体开关元件102通过使用不同类型的功率半导体器件来实施。当半导体开关元件102通过使用不同类型的功率半导体器件来实施的时候，当前详细描述也适用。例如，半导体开关元件102可以通过使用功率MOSFET(例如功率N-沟道金属氧化物半导体(NMOS)晶体管106)来实施。在那个实施例中，电流端子T1是漏极端子或漏极，电流端子T2是源极端子或源极，以及控制端子G是栅极端子。正如IGBT 104实施例，二极管(未示出)可以耦接于NMOS晶体管106，其中阳极被连接到NMOS晶体管106的源极端子以及阴极被连接到NMOS晶体管106的漏极端子。尤其，二极管的阳极会被连接到NMOS晶体管106的漏极端子，以及二极管130的阴极会被连接到DC总线。可替代地，NMOS晶体管106的体二极管可以达到相同的目的，使得不需要外部二极管。
所示出的检测和控制电路132包括：上拉电路、可变驱动下拉电路114、时钟112、在节点138耦接于可变下拉电路114的控制逻辑110以及检测电路108和116。检测和控制电路132进行操作以接通IGBT 104来提供或有助于提供Iload，并且进行操作以断开IGBT 104来消除IGBT 104对Iload的贡献。控制逻辑110通过使用置于集成电路(IC)上的硬件组件的任何适当配置和/或使用一个或多个分立组件来提供信号处理和控制功能，例如以控制半导体开关元件102的接通和断开操作。控制逻辑110的操作时序被时钟112控制，该控制例如可以基于结合在100处所说明的电路的系统(例如图3中示出的系统300)的系统时钟。
在一个实施例中，在单个操作周期期间，半导体开关元件102被接通一次并且然后被断开一次。例如，半导体开关元件是在开关频率被脉冲波调制接通和断开的，其中该开关频率被微处理器(未示出)或系统的其它电路控制以建立用于给负载供电的电流正弦波形。在一个特定实施例中，断开器件102并且然后接通器件102是一个操作周期；并且下一次半导体开关元件102被断开会开始该器件的下一个操作周期。在另一个实施例中，接通器件102并且然后断开器件102是一个操作周期；并且下一次半导体开关元件102被接通会开始该器件的下一个操作周期。在另一个实施例中，接通器件102本身就是单个操作周期；并且下一次半导体开关元件102被断开会开始该器件的下一个操作周期。接通和断开IGBT通常被称为开关事件，并且更具体地说，分别被称为半导体开关元件102的接通和断开事件。
在接通事件期间，检测和控制电路132使用控制逻辑110和上拉电路来接通IGBT 104。在这种情况下，上拉电路是通过使用P-沟道金属氧化物半导体(PMOS)晶体管136来实施的，其中该晶体管136具有耦接于在节点124提供电压Vcc的电压源(未示出)的源极、耦接于节点122的漏极以及在节点126耦接于控制逻辑110的栅极。Vcc被设置为足够高的电压以确保半导体开关元件102被PMOS晶体管136充分接通。在将IGBT 104用作半导体开关元件102的所说明的实施例中，Vcc可以被设置为15V或者大约15V。然而，通过将NMOS106用作半导体开关元件102，Vcc可以更小。
在所说明的结构中，PMOS136通常是断开的。在接通事件期间，控制逻辑110将电压控制信号提供给PMOS晶体管136的栅极以接通该晶体管。当PMOS晶体管136完全导电的时候，IGBT 104的栅极的节点122被上拉到Vcc,这就接通了IGBT 104。当IGBT 104接通的时候，IGBT 104通过集电极和发射极传导电流IC以向负载提供负载电流Iload。可替代地，当半导体开关元件102以NMOS晶体管106来实施的时候，器件102在NMOS晶体管106接通的时候通过漏极和源极传导电流ID，以向负载提供负载电流Iload。
在断开事件期间，检测和控制电路132使用控制逻辑110、可变驱动下拉电路114以及检测电路108和116来断开IGBT 104。因此，可变驱动下拉电路114和每个检测电路108和116耦接于控制逻辑110和半导体开关元件102，在这种情况下半导体开关元件102是IGBT104。通常，在断开事件期间，控制逻辑110将控制信号提供给PMOS晶体管136，其中该控制信号断开PMOS晶体管136并且将节点122的电压朝着较低电压电平处降低，例如0V或更低，例如-10V。这进而开始断开半导体开关元件102。然而，由于半导体开关元件102固有的限制，就此而言，该器件不是可以立即断开和接通的理想开关。
控制逻辑110根据本发明的教导控制可变驱动下拉电路114以在半导体开关元件102的栅极提供放电或断开电流IGD以控制该器件的断开。完全断开半导体开关元件102所需的时间在器件102中产生开关损耗，其中在完全断开的半导体开关元件102的情况下几乎没有电流在传导。因此，器件102被断开的越快，开关损耗就越低；器件102被断开的越慢，开关损耗就越高。虽然通常需要较低的开关损耗，但是半导体开关元件102的较快断开可以导致该器件在器件安全操作区域(SOA)之外操作，因此，有可能损坏器件。
通常，关于功率半导体器件，SOA被定义为电流-电压范围，在该范围内，功率半导体器件可以在没有破坏性故障的情况下操作。尤其，关于IGBT(例如，104)，SOA由最大集电极-发射极电压VCE来定义，并且也由最大集电极电流IC定义，在该范围内IGBT必须被限制以保护IGBT不被损坏。在IGBT断开期间的最大IC和它的标称电流(nominal current)、最大Iload相关。此外，给定系统的最大Iload取决于该系统的杂散电感(stray inductance)以及半导体开关元件102的最大额定电压(例如，最大集电极-发射极电压VCE)。因此，在IGBT接通时确定的参数Iload可以提供关于IGBT有多接近其最大IC来操作的指示。因此，获知Iload提供了可变下拉电路114是否应该增加或减小放电电流的指示。尤其，在一个操作周期期间被测量的较低负载电流处，在不损坏器件的情况下可变驱动下拉电路114可以在下一个操作周期期间更快地断开IGBT 104。半导体开关元件102将其自身作为大电容呈现给可变驱动下拉电路114。因此，较快的断开需要更高的电流。
此外，在IGBT断开期间的VCE的峰值VPEAK是通过等式VPEAK＝VDC+LS*di/dt表示的，其中VDC是跨IGBT或桥接电路的直流链电压(DC link voltage)，LS是与包含了半导体开关元件102的系统或电路相关联的杂散电感，以及di/dt是在断开事件期间随着时间的推移在集电极电流IC中的变化。因此，在断开事件期间被确定的参数VPEAK和di/dt可以提供关于IGBT有多接近其最大ICE来操作的指示。而且，在一个操作周期期间被确定的较低VPEAK以及di/dt处,IGBT可以在不损坏器件的情况下在下一个操作周期期间被较快地断开。类似地，对于MOSFET(例如106)，SOA由最大漏极-源极电压VDS和最大漏极电流ID来定义。因此，ID或者Iload的参数VPEAK,di/dt中的任何一个或者任何组合可以被用来指示MOSFET离在其SOA范围外操作有多接近。
根据本发明的教导，检测电路108和/或116被配置以在第一操作周期期间确定半导体开关元件102(例如IGBT 104或MOSFET106)的至少一个操作参数。操作参数指示器件102离在其SOA之外操作有多接近，并且还指示器件102在下一个或接下来的断开事件期间是应该被更快驱动还是应该被更慢驱动以最小化开关损耗并且优化器件性能。在一个特定实施例中，检测电路108被配置通过使用任何适当感测和处理电路来测量半导体开关元件102的第一T1和第二T2电流端子之间的峰值电压VPEAK并且将峰值电压VPEAK的指示提供给控制逻辑110以用于调整器件102的控制端子放电电流(例如，IGD)。示例VPEAK检测器可以利用电压比较器或者峰值检测器通过电阻分压器或者电容耦接实现的某些电平位移来实施
在一个示例实施中，检测电路108被连接到节点118和控制逻辑110，测量并且处理在节点118处的电压电平以及将在节点118处检测的VPEAK指示给控制逻辑110以用于调整控制端子放电电流IGD。控制端子放电电流IGD控制了半导体开关元件102被多快或多慢地断开，并且因此控制了在器件102中的开关损耗量。控制端子放电电流IGD越大，断开就越快并且开关损耗就越低。相反，控制端子放电电流IGD越小，断开就越慢而且开关损耗就越高。
在另一个实施例中，检测电路108被配置通过使用任何适当的感测和处理电路以确定提供给耦接于半导体开关元件102的负载电路的负载电流Iload并且将负载电流的指示提供给控制逻辑110以用于调整控制端子放电电流IGD。诸如，Iload可以在系统中使用电流换能器(current transducer)已经被测量，例如，当Iload被微处理器使用以运行电机控制算法的时候。在一个示例实施中，检测电路108被连接到节点118和控制逻辑110，测量和处理在节点118的Iload以及将Iload指示给控制逻辑110以用于调整控制端子放电电流IGD。感测和处理电路可以被全部包括在电路108内，其进而被连接到单个半导体开关元件102。可替代地，当电路100是较大电路(例如图3的电路300)的一部分的时候，用于感测和处理Iload的电路的一部分(例如图3的362和364)可以位于电路108之外并且耦接于多个半导体开关元件。在后一种情况下，外部电路362和364被用于将Iload的指示提供给在节点142的电路108，并且电路108将Iload的指示以相同或不同的形式提供给控制逻辑110。
在另一个实施例中，检测电路106被配置通过使用任何适当感测和处理电路来确定在半导体开关元件102的至少一个第一和第二端子处的随时间变化的第一电流di/dt以及给控制逻辑提供第一电流的指示以用于调整控制端子放电电流。示例di/dt检测器可以通过使用一系列电感器元件(例如与包含了半导体开关元件102的系统或电路相关联的寄生杂散电感)或使用与开关元件102串联放置的更精确电感器被实施，这是由于di/dt随后会产生与该电感成比例的电压，该电压可以通过使用电压比较器来测量。在一个示例实现中，检测电路116被连接到节点120和控制逻辑110，测量和处理在断开事件期间在节点120处的电流变化di/dt并且将在节点120处检测的di/dt指示给控制逻辑110以用于调整控制端子放电电流。
在实施例中，检测电路108和116通过使用单个位将操作参数VPEAK、di/dt和/或Iload的指示提供给控制逻辑110。例如，检测电路108和116中包含的处理将检测电路108和116测量或确定的特定操作参数和相应的阈值进行比较。当操作参数超过该阈值的时候，检测电路使用一位(例如代表逻辑1)来指示该操作参数超过该阈值，其中控制逻辑110将控制信号提供给可变驱动下拉电路114以在下一个操作周期(例如下一个断开事件)回拨(dial back)或减小IGD。相反，当操作参数低于阈值的时候，检测电路使用其它位(例如代表了逻辑0)来指示该操作参数低于该阈值，其中控制逻辑110将控制信号提供给可变驱动下拉电路114以在下一个操作周期期间(例如下一个断开事件)拨号或增加IGD。在另一个实施例中，检测电路108和116使用多个位提供操作参数的指示以传递附加信息，例如，操作参数已经增加了或减小了多少和/或操作参数有多接近阈值。在另一个实施例中，检测电路108和116使用模拟信号提供操作参数的指示。
可变驱动下拉电路包括电路，该电路在节点138处从控制逻辑110接收控制信号并且在断开事件期间生成控制端子放电电流IGD并将其提供给半导体开关元件102的栅极。IGD根据在前一个的操作周期期间确定的半导体开关元件102的一个或多个操作参数的级别或量值，或者级别或量值的变化而变化。根据本发明所教导的可变驱动电路114的实施例参照图2被说明和描述。
如图所示，可变驱动下拉电路114包括在节点122处耦接于半导体开关元件102的控制端子以及在节点138处耦接于控制电路110的可调整电流镜。在实施例中，可调整电流镜进行操作以生成可调整参考电流IADJ并且复制或放大该可调整参考电流IADJ以生成可调整输出电流IGD或者将该可调整输出电流IGD提供给半导体开关元件102。根据本发明的教导，参考电流IADJ，并且因此控制端子放电电流IGD基于在节点138处提供的控制信号被调整。基于在前一个操作周期期间被检测的至少一个操作参数(例如VPEAK、di/dt和/或Iload)来进而确定提供给可调整电流镜的控制信号，因此基于至少一个操作参数，VPEAK、di/dt和/或Iload来确定和设置IGD。
可调整电流镜包括可调整电流源206和NMOS晶体管208、212和214。可调整电流源206在节点138处被连接到控制逻辑110并且在节点224处被连接到晶体管208的漏极和栅极。晶体管208的源极在节点220处被连接到共用电压，例如0V。晶体管212的漏极在节点122处被连接到半导体开关元件102的栅极。晶体管212的源极在节点218处被连接到晶体管214的漏极，以及晶体管212的栅极被连接到节点216，其中在一个实施例中，节点216从控制逻辑110接收控制信号。晶体管214的源极在节点220处被连接到共用电压，以及晶体管214的栅极在节点224处被连接到晶体管208的栅极和漏极。
在半导体开关元件102的断开事件期间，可调整电流镜在半导体开关元件102的栅极处生成断开电流IGD。在断开事件的开始，使可调整电流镜活动。尤其，可调整电流源206被配置以在节点138处从控制逻辑110接收控制信号并且通常产生被应用于半导体开关元件102的控制端子的控制端子放电电流IGD。在所示出的实施例中，IGD被生成为基本上为矩形的脉冲。
在操作期间，可调整电流源206从控制逻辑110接收控制信号，其中该控制信号基于至少一个操作参数VPEAK、di/dt和/或Iload被确定，并且基于控制信号相应地设置参考电流IADJ，从而控制IGD的量值。以这种方式，开关被配置以将控制端子放电电流IGD施加为脉冲，该脉冲具有由控制电路控制的持续时间(在这种情况下d2＝t2-t1)以及由可调整电流源控制的振幅。
图226示出了由可调整电流镜生成的并且沿着IGD量值轴228对时间轴230绘制的一些示例IGD脉冲232-240。每一个脉冲具有持续时间d2＝t2-t1，该持续时间取决于开关元件102的栅极端子的电容、IGD的量值以及在完全接通和完全断开的阈值电压之间的栅极端子上的电压差。更具体地说，当器件104被接通和断开的时候，开关元件104的栅极端子呈现为电容。电流IGD代表了基于等式Charge＝IGD*d2被移除的充电率(rate of charge)。因此，如果IGD越低，那么持续时间d2就越长。相反，如果IGD越高，那么持续时间d2就越短。
图3说明了系统300，其中该系统实施了实施例：具有IGBT 104的电路100以及图1中所说明的检测和控制电路132；以及图2中所说明的可变驱动下拉电路114。在替代实施例中，系统300包括功率MOSFET而不是IGBT。而且，IGBT 104的实施以及图1中说明的检测和控制电路132不被限于通过参照图3说明的示例实施，而是可以以示例的方式在其它电路和系统(例如开关电源的开关电压校准器)中被实施。正如所示出的，系统300包括耦接于负载314并且为负载314提供动力的三相发电机，在这种情况下，它是电机。发电机的三相中的每一相都包括包含以桥接结构连接的一对IGBT的电路导体。三个电路导体生成了相同频率的三个交流电流Iload，并且在三分之一周期处互相达到它们的瞬间峰值。
更具体地说，第一电路导体包括以桥接结构排列的IGBT316和318。IGBT316具有在节点340处被连接到电压源(未示出)的集电极，其中该电压源提供了电压Vdd，在上文中也被称为DC总线，Vdd是特定于实现的，并且在实施例中，Vdd可以被设置在25V-2500V的电压范围内。IGBT 316的发射极在节点348处被连接到IGBT 318的集电极。IGBT 318的发射极在节点366处被连接到共用电压342。可选择地，如图所示，二极管322跨接在IGBT 316的集电极和发射极端子的两端；以及二极管320跨接在IGBT 318的集电极和发射极端子的两端。此外，IGBT 316在其栅极、集电极以及发射极处被连接到检测和控制电路304；以及IGBT 318在其栅极、集电极以及发射极被连接到检测和控制电路304。在实施例中，通过参照图1和2所示出和描述的，电路302和304被配置并耦接于各自的IGBT。
第二电路导体包括以桥接结构排列的IGBT 324和326。IGBT324具有在节点340处连接到提供Vdd的电压源的集电极。IGBT 324的发射极在节点354处被连接到IGBT 326的集电极。IGBT 326的发射极在节点368处被连接到共用电压342。可选择地，如图所示，二极管330跨接IGBT 324的集电极端子和发射极端子；以及二极管328跨接IGBT 326的集电极端子和发射极端子。此外，IGBT 324在其栅极、集电极以及发射极处被连接到检测和控制电路306；以及IGBT 326在其栅极、集电极以及发射极处被连接到检测和控制电路308。在实施例中，通过参照图1和2所示出和描述的，电路306和308被配置并耦接于各自的IGBT。
第三电路导体包括以桥接结构排列的IGBT 332和334。IGBT332具有在节点340处被连接到提供了Vdd的电压源的集电极。IGBT332的发射极在节点360处被连接到IGBT 334的集电极。IGBT 334的发射极在节点370处被连接到共用电压342。可选择地，如图所示，二极管338跨接在IGBT 332的集电极和发射极端子上；以及二极管336跨接在IGBT 334的集电极和发射极端子上。此外，IGBT 332在其栅极、集电极以及发射极处被连接到检测和控制电路310；以及IGBT 334在其栅极、集电极以及发射极处被连接到检测和控制电路312。在实施例中，正如在图1和图2中所示出的并且参照图1和图2所描述的，电路310和312被配置并且耦接于各自的IGBT。而且，在实施例中，每个检测和控制电路302-312都耦接于Iload检测电路362和Iload处理器364以在不同的时间点测量Iload、处理Iload以及提供Iload的指示。
现在转向图4，图4所说明的是例如通过检测和控制电路132，更具体地说，通过控制逻辑110、可变驱动下拉电路114以及检测电路108或116共同执行以控制半导体开关元件102的断开开关事件的实例方法400。在402，检测电路108和/或116确定或检测半导体开关元件102的至少一个操作参数。例如，确定402至少一个操作参数包括确定404在第一操作周期期间，当断开半导体开关元件102的时候，跨半导体开关元件102的峰值电压VPEAK。更具体地说，确定跨半导体开关元件102的峰值电压VPEAK包括测量第一和第二电路端子(例如，半导体开关元件102的集电极和发射极端子或漏极和源极端子)之间的峰值电压。
可替代地或者此外，确定402至少一个操作参数包括在第一操作周期期间确定416将负载电流Iload提供给耦接于半导体开关元件102的负载电路(例如电机314)。可替代地或者此外，确定402至少一个操作参数包括在第一操作周期期间确定422在半导体开关元件102的电流端子中的随时间变化的电流，di/dt。
因此，方法400可以基于半导体开关元件102的操作参数中的任何一个或操作参数的组合被执行，其中该参数包括，但不限于：VPEAK，di/dt和/或Iload。通常，检测和控制电路132基于至少一个操作参数，通过将该至少一个操作参数与阈值进行比较406；并且基于该比较调整控制端子放电电流IGD，来确定控制端子放电电流IGD。在实施例中，调整IGD包括：当至少一个操作参数在第一阈值范围之外的时候，减小412控制端子放电电流；或者当至少一个操作参数在第一阈值范围之内的时候，增加410控制端子放电电流。随后，可变驱动下拉电路将栅极放电电流施加428到半导体开关元件102的栅极。
在一个特定实施例中，阈值范围是单个阈值。在这种情况下，当操作参数超过406阈值的时候，操作参数在阈值范围之外，并且IGD被相应地减小412。类似地，当操作参数低于406阈值的时候，操作参数在阈值范围之内，并且IGD被相应地增加410。
在替代实施例中，阈值范围包括被最大阈值和最小阈值界定的多个阈值。在这种情况下，当操作参数超过406包括在阈值范围中的任何阈值的时候，操作参数则在阈值范围之外，并且IGD被相应地减小412。类似地，当操作参数低于406的最小阈值的时候，操作参数则在阈值范围之内，并且IGD被相应地增加410。基于测量的操作参数，使用多个阈值为优化IGD提供了附加的灵活性。例如，在操作参数减小到最大和最小阈值之间的地方，IGD则不那么急剧地向着最小IGD值减小(例如，通过向着最小IGD值逐渐减小)。然而，在操作参数超过最大阈值的地方，IGD可以更急剧减小到最小IGD值，例如，通过将IGD立即设置为最小IGD值。
在图4所说明的特定方法400中，在调整IGD的时候，三个操作参数VPEAK、di/dt和/或Iload均被考虑。特别地，VPEAK和阈值范围VTH进行比较406。Iload和阈值范围ITH进行比较406。di/dt和阈值范围STH进行比较406。在一个实施例中，如果任何一个或多个操作参数超过各自的阈值范围，IGD朝着最小放电电流减小412。然而，如果全部操作参数都在各自的阈值范围之下，IGD朝着最大放电电流增加410。
关于操作参数VPEAK，例如，在检测VPEAK之后，电路132将半导体开关元件102的第一和第二电流端子之间的峰值电压VPEAK和阈值范围VTH进行比较，并确定VPEAK是否在阈值范围VTH之内(例如，低于阈值范围VTH)或在阈值范围VTH之外(例如，超过阈值范围VTH)。在一个特定实施例中，考虑到由包括器件102的电路内确定的杂散电感，VTH被设置在低于器件102的最大集电极-发射极电压VCE或器件102的最大漏极-源极电压VDS的某一值或某些值。而且，在VTH包括多个阈值的地方，VTH被设置以将半导体开关元件102维持其SOA内。
比较可以在检测电路108或控制电路110中被执行。在该实施例中，当峰值电压VPEAK在阈值范围VTH之内的时候，控制电路110确定增加410控制端子放电电流IGD；或者当峰值电压VPEAK在阈值范围VTH之外的时候，控制电路110确定减小412控制端子放电电流IGD。控制电路110然后将控制信号提供给可变驱动下拉电路114以在下一个断开事件期间将控制端子放电电流IGD施加428到晶体管102控制端子。以这种方式，检测和控制电路132在断开事件期间优化了半导体开关元件102的开关。
在一个实施例中，当至少一个操作参数在第一阈值(例如VTH)范围之内的时候，控制端子放电电流IGD朝预先确定的最大控制端子放电电流IGD递增地增加。例如，控制端子放电电流IGD是用来断开半导体开关元件102的脉冲；并且这种递增的增加可以例如对应于增加IGD，其中根据图2的240-232处所示出的脉冲朝着最大IGD232来增加IGD。在另一个实施例中，当检测到至少一个操作参数在阈值的第一范围之外的时候，控制端子放电电流IGD被减小到预先确定的最小控制端子放电电流(例如，脉冲240)。因此，增加控制端子放电电流IGD包括提供较大振幅和较短持续时间的脉冲；以及减小控制端子放电电流IGD包括提供较小振幅和较长持续时间的脉冲。对于更加复杂的实现，控制逻辑110可以应用算法或详细的列表来确定增加或减小多少IGD。在考虑了多个操作参数(例如VPEAK、di/dt和Iload)的一个示例实施例中，阈值是考虑了三个操作参数之间关系的多值阈值。例如，在较低VPEAK的情况下可以允许高得多的Iload。
类似地，关于操作参数Iload，在检测Iload之后，电路132将提供给耦接于半导体开关元件102的负载电路(例如314)的负载电流Iload与阈值范围ITH进行比较406，并确定Iload是否在阈值范围ITH之内(例如，低于阈值范围)或在阈值范围ITH之外(例如，超过阈值范围)。在该实施例中，当负载电流Iload在阈值范围ITH之内的时候，控制电路110确定增加410控制端子放电电流IGD；或者当负载电流Iload在阈值范围ITH之外的时候，控制电路110确定减小412控制端子放电电流IGD。随后，控制电路110将控制信号提供给可变驱动下拉电路116以在下一个断开事件期间，将控制端子放电电流IGD施加428到晶体管102控制端子。
类似地，关于操作参数di/dt，在检测di/dt之后，电路132将在半导体开关元件102的电流端子内的随时间变化确定的第一电流di/dt与阈值范围STH进行比较，并且确定di/dt是否在阈值范围STH之内(例如，低于阈值范围)或在阈值范围STH之外(例如，超过阈值范围)。在该实施例中，当di/dt在阈值范围STH之内的时候，控制电路110确定增加410控制端子放电电流IGD；或者当di/dt在阈值范围STH之外的时候，控制电路110确定减小412控制端子放电电流STH。随后，控制电路110将控制信号提供给可变驱动下拉电路116以在下一断开事件期间将控制端子放电电流施加428到晶体管102控制端子。
在前面的说明书中，特定实施例已经被描述。然而，本领域所属一般技术人员了解在不脱离以下权利要求所陈述的本发明范围的情况下，可以进行各种修改以及变化。因此，说明书以及附图被认为是说明性而不是限制性的，并且所有这些修改旨在列入本发明范围内。好处、优点或针对问题的解决方案，以及可以使任何好处、优点或解决方案发生或者变得更明显的任何元件都不旨在被解释为任何或者所有权利要求的关键的、必需的、或本质的特征或元素。本发明仅由所附权利要求定义，所附权利要求包括在本申请的未决期间进行的任何修改以及所提出的那些权利要求的所有等同物。
简明起见，和半导体制作相关的常规技术可以未被详细描述，其中该技术包括使用常规CMOS技术、CMOS器件、IGBT、电流镜、电机、桥接电路、三相系统以及系统或IC的其它功能方面，以及单独系统或IC操作组件。而且，在包含在本发明的各个附图中所示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例功能性关系和/或物理耦接。应注意，很多替代或附加功能性关系或物理连接可以在实际实施例中呈现。此外，上面描述的各种IC实施例可以通过使用常规半导体处理技术(例如熟知的CMOS技术)被生产或制作。而且，各种熟知的和常见的半导体材料(例如像铝、铜、金等的传统金属、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、硅等)可以被使用。
此外，在本文件中，诸如第一和第二、顶部和底部等的关系词语可以仅仅用来将一个实体或动作与另一个实体或动作区别开，而不一定要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际的此类关系或顺序。词语“包括”、“包括有”、“有”、“具有”、“包含”、“包含有”、“含”、“含有”或其任何其它变体旨在覆盖非排他性的内含物，使得包括、有、包含、含一列元件的工艺、方法、物件、或装置不仅包括那些元件，而且可以包括未明确列出或为此类工艺、方法、物件、或装置所固有的其它元件。词语“基本上”、“主要的”、“大约”、“约”或其任何其它形式被定义为接近于本领域的技术人员所理解的意思，并且在一个非限制性实施例中，该词语被定义为在10％以内，在另一实施例中为在5％以内，在另一实施例中为在1％以内，在另一实施例中为在0.5％以内。
正如本发明所使用的，词语“被配置以”、“被配置有”、“被排列以”、“被排列有”、“能够”以及其它相似词语意味着参考电路元件具有内部物理排列，例如借助与处于非活动状态的其它电路元件一起使用的特定的晶体管技术和/或与处于非活动状态的其它电路元件物理耦接和/或连接的特定晶体管技术。这种处于非活动状态时的物理排列和/或物理耦接和/或连接能够使电路元件当处于在电路元件的输入处接收和处理各种信号的活动状态的时候，执行所述的功能以在电路元件的输出处生成信号。以特定方式“被配置”的器件或结构以至少该方式被配置，但也可以以未描述的方式被配置。
正如本发明中还被使用的，“节点”意味着任何内部的或外部的参考点、连接点、结点、信号线、导电元件等等，在该节点处，给定信号、逻辑电平、电压、数据模式、电流或数量被呈现。而且，两个或多个节点可以通过一个物理元件被实现，并且两个或多个信号可以被多路复用、调制或以其它方式被区别，即使在共用节点处被接收或输出。
上述描述指被“连接”或“耦接”在一起的节点或特征。正如本发明所使用的，除非另有明确规定，“耦接”指被直接或非直接连接到(或直接或非直接互通)其它节点或特征的节点或特征，并且不一定是机械地耦接。正如本发明所使用的，除非另有明确规定，“连接”指被直接接到(或直接互通)其它节点或特征的节点或特征。例如，开关可以“耦接于”多个节点，但是全部这些节点无须总是彼此连接；而且，开关可以根据开关的状态将不同的节点彼此连接在一起。而且，虽然本发明所示的各种电路图描述了元件的特定示例排列，如果给定电路的功能没有受到不利影响，附加中间元件、器件、特征或组件可以呈现在实际实施例中。
此外，在先前的详细说明中，可以看出各种特征被一起集合在各种实施例中以使得本公开流畅。本公开的方法不应被理解为反映了要求保护的实施例需要比每个权利要求中所明确表述的特征更多的特征这一意图。相反，正如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开的实施例的全部特征。因此，以下权利要求在此被并入详细说明中，其中每个权利要求独立地作为分别要求保护的主题。

Claims (19)

1.一种控制半导体开关元件断开的方法，所述方法包括：
在第一操作周期期间，确定所述半导体开关元件的至少一个操作参数；
基于所述至少一个操作参数确定控制端子放电电流；
在后续的第二操作周期期间给所述半导体开关元件的控制端子提供所述控制端子放电电流以断开所述半导体开关元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述至少一个操作参数包括：当在所述第一操作周期期间断开所述半导体开关元件的时候，确定跨所述半导体开关元件的峰值电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其中确定跨所述半导体开关元件的所述峰值电压包括：测量所述半导体开关元件的第一和第二电流端子之间的峰值电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述至少一个操作参数包括：确定在所述第一操作周期期间，被提供给耦接于所述半导体开关元件的负载电路的负载电流。
5.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述至少一个操作参数包括：确定在所述第一操作周期期间，在所述半导体开关元件的电流端子中随时间变化的电流。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述至少一个操作参数确定所述控制端子放电电流包括：
将所述至少一个操作参数与阈值范围进行比较；
基于比较调整所述控制端子放电电流。
7.根据权利要求6所述的方法，其中比较和调整包括：
将所述半导体开关元件的第一和第二电流端子之间的峰值电压和所述阈值范围进行比较；
当所述峰值电压在所述阈值范围之外的时候，减小所述控制端子放电电流；
当所述峰值电压在所述阈值范围之内的时候，增加所述控制端子放电电流。
8.根据权利要求6所述的方法，其中比较和调整包括：
将在所述半导体开关元件的电流端子中的所确定的随时间变化的第一电流与所述阈值范围进行比较；
当所述第一电流在所述阈值范围之外的时候，减小所述控制端子放电电流；
当所述第一电流在所述阈值范围之内的时候，增加所述控制端子放电电流。
9.根据权利要求6所述的方法，其中比较和调整包括：
将被提供给耦接于所述半导体开关元件的负载电路的负载电流与所述阈值范围进行比较；
当所述负载电流在所述阈值范围之外的时候，减小所述控制端子放电电流；
当所述负载电流在所述阈值范围之内的时候，增加所述控制端子放电电流。
10.根据权利要求6所述的方法，其中调整包括：
当所述至少一个操作参数在所述阈值范围之外的时候，减小所述控制端子放电电流；
当所述至少一个操作参数在所述阈值范围之内的时候，增加所述控制端子放电电流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中当所述至少一个操作参数在所述阈值范围之内的时候，所述控制端子放电电流朝着预先确定的最大控制端子放电电流递增地增加。
12.根据权利要求10所述的方法，其中当检测到所述至少一个操作参数中的任何一个在所述阈值范围之外的时候，所述控制端子放电电流被减小到预先确定的最小控制端子放电电流。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述控制端子放电电流包括脉冲，并且其中：
增加所述控制端子放电电流包括提供更大振幅和更短持续时间的脉冲；
减小所述控制端子放电电流包括提供更小振幅和更长持续时间的脉冲。
14.一种控制半导体开关元件断开的电路，所述电路包括：
半导体开关元件，其具有第一电流端子和第二电流端子以及控制端子；
检测和控制电路，其耦接于所述半导体开关元件的所述控制端子，其中所述检测和控制电路包括：
至少一个检测电路，其被配置以在第一操作周期期间确定所述半导体开关元件的至少一个操作参数；
控制逻辑，其耦接于所述至少一个检测电路，其中所述控制逻辑被配置以接收所述至少一个操作参数的指示并且基于所述至少一个操作参数确定控制端子放电电流；
可变驱动下拉电路，其耦接于所述控制逻辑和所述半导体开关元件，其中所述可变驱动下拉电路被配置以从所述控制逻辑接收控制信号以用于在后续的第二操作周期期间给所述半导体开关元件的所述控制端子提供所述控制端子放电电流以断开所述半导体开关元件。
15.根据权利要求14所述的电路，其中所述半导体开关元件包括绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
16.根据权利要求14所述的电路，其中所述检测和控制电路包括控制逻辑和耦接于所述控制逻辑和所述半导体开关元件的检测电路，其中所述检测电路被配置以测量所述半导体开关元件的第一电流端子和第二电流端子之间的峰值电压以及将所述峰值电压的指示提供给所述控制逻辑以用于调整所述控制端子放电电流。
17.根据权利要求14所述的电路，其中所述检测和控制电路包括控制逻辑和耦接于所述控制逻辑和所述半导体开关元件的检测电路，其中所述检测电路被配置以确定在所述半导体开关元件的所述第一电流端子或所述第二电流端子中的至少一个处随时间变化的第一电流以及将所述第一电流的指示提供给所述控制逻辑以用于调整所述控制端子放电电流。
18.根据权利要求14所述的电路，其中所述检测和控制电路包括控制逻辑和耦接于所述控制逻辑和所述半导体开关元件的检测电路，其中所述检测电路被配置以确定被提供给耦接于所述半导体开关元件的负载电路的负载电流以及将所述负载电流的指示提供给所述控制逻辑以用于调整所述控制端子放电电流。
19.根据权利要求14所述的电路，其中所述可变驱动下拉电路包括耦接于所述半导体开关元件的所述控制端子和所述控制电路的可调节电流镜，其中所述可调节电流镜包括被配置以接收所述控制信号并且产生被施加于所述半导体开关元件的所述控制端子的所述控制端子放电电流的可调节电流源。
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