CN105359410A - 栅极驱动电路以及用于控制功率晶体管的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动功率晶体管(12a)的栅极端子(G)的栅极驱动电路(10a)。栅极驱动电路(10a)包括第一电容器(C1)、第一开关(SW1)、测量电路(5)和生成参考电压(Vref)的参考源(6)。第一电容器(C1)具有电耦合于功率晶体管(12a)的栅极端子(G)的第一端子(T11)。第一开关(SW1)被布置在第一电容器(C1)的第二端子(T21)和第一预定电压(Vp1)之间。测量电路(5)被用于测量跨越所述第一电容器(C1)的差分电压。栅极驱动电路(10A)被配置成预充电第一电容器(C1)以获得跨越第一电容器(C1)的第二预定电压(Vp2)。栅极驱动电路(10a)还被配置为将第一开关(SW1)布置在开启状态以接通功率晶体管(12a)并且将第一预定电压(Vp1)耦合于第一电容器(C1)的第二端子(T21)。第一电容器(C1)初始时被预充电在第二预定电压(Vp2)。测量电路(5)被配置为，当跨越所述第一电容器(C1)的差分电压相对于第二预定电压(Vp2)已经改变了参考电压(Vref)的时候，将第一开关(SW1)布置在关断状态。当跨越所述第一电容器(C1)的差分电压相对于第二预定电压(Vp2)已经改变了参考电压(Vref)的时候，通过使用测量电路(5)测量跨越所述第一电容器(C1)的差分电压以及断开第一开关(SW1)，提供了对于第一电容器(C1)的电荷变化的精确控制。与参考电压(Vref)成比例的电荷变化是对被转移到功率器件(12a)的栅极端子(G)以接通功率期间(12a)的电荷量的测量。

Description

栅极驱动电路以及用于控制功率晶体管的方法
发明描述
技术领域
本发明涉及用于驱动功率晶体管的栅极驱动电路。本发明还涉及包括栅极驱动电路和功率晶体管的功率变换器。本发明还涉及包括功率变换器的功率模块以及控制功率晶体管的方法。
背景技术
电机控制可能具有广泛的应用。除其他外，该应用可能包括，电动汽车的电动机，而且还包括用于住宅用洗衣机、风扇、手持电动工具、工业电机驱动器等等的电动机。
感应或异步电机通常被用于上述应用中。感应或异步电机是AC电机，其中通过在静态绕组内生成的磁场由旋转绕组内的电磁感应而感应电流。感应或异步电机不需要用于将旋转绕组电连接到静态绕组的滑动电接触件，从而简化了感应或异步电机的构造并提高了可靠性。
实惠、可靠的功率晶体管(例如，功率MOSFET和IGBT)以及能够驱动这种感应或异步电机的模块的可用性是上述应用的重要设计目标。
通常情况下，栅极驱动电路控制功率晶体管的栅极。IGB晶体管是可靠的功率晶体管，其通常具有若干微库仑的栅极电荷。为了快速接通具有低损耗的IGB晶体管，必须施加若干安培电流以控制栅极。IGB晶体管的开关损耗依赖于提供全导电性的栅极电荷以多快速度被馈送给组件栅极或从其移除。处于完全导通状态的IGB晶体管的栅极电压通常为+15V的量级。低于+15V的栅极电压可能导致过度的导通损耗，而高于+15V的栅极电压可能导致IGB晶体管的损坏。IGB晶体管通常有内部栅极接触电阻，通过该电阻可以生成电压降。因此，栅极驱动电路必须提供足够高的输出电压以允许通过内部栅极接触电阻来生成电流。
在IGB晶体管的栅极端子强加+15V可以是保证适当的栅极电压达到完全导通状态的直接解决方案。内部栅极接触电阻和内部栅极电容提供了确定IGB晶体管的开关速度的RC常数。在大约4倍RC常数之后，内部栅极端子处的电压达到+15V。对于大多数应用，这种开关速度可能是不可接受的。
EP1596496A1提供了一种加快IGB晶体管接通的栅极驱动电路。该栅极驱动电路被提供有特定升压电容器，它是通过与栅极接触电阻串联而添加的。在切断IGB晶体管期间，升压电容器被充电到受到与升压电容器并联放置的齐纳二极管限制的电压。在开启IGB晶体管期间，栅极使用了升压电容器内以及跨越栅极接触电阻而建立的电压上的先前存储的电荷，以快速增加栅极电荷。虽然EP1596496A1提供了一种加快IGB晶体管接通的有效解决方案，但是此解决方案的问题之一是，跨越升压电容器的电荷可能不能非常精确地控制。根据EP1596496A1，控制通过跨越升压电容器的电荷的唯一方法是通过控制升压电容相对于受控IGBT栅极电荷的正确尺寸。只有在这种情况下，当IGBT的栅极电压增加到到+15V的时候，存储在升压电容器的能量才可能会耗尽。
发明内容
正如附属权利要求中所描述的，本发明提供了用于驱动功率晶体管的栅极端子的栅极驱动电路、功率变换器、功率模块以及一种控制功率晶体管的方法。
本发明的具体实施例在随附权利要求中被陈述。
根据下文中描述的实施例，本发明的这些或其它方面将会很容易理解并且被阐述。
附图说明
根据附图，仅仅通过举例的方式，本发明的进一步细节、方面和实施例将被描述。在附图中，相似的参考符号被用于表示相同或功能相似的元素。为了简便以及清晰，附图中的元素不一定按比例绘制。
图1示意性地显示了栅极驱动电路的一个实施例的一个例子。
图2示意性地显示了栅极驱动电路的一个实施例的另一个例子。
图3示意性地显示了栅极驱动电路的一个实施例的另一个例子。
图4示意性地显示了栅极驱动电路的一个实施例的另一个例子。
图5示意性地显示了包括栅极驱动电路和两个功率晶体管的功率变换器。
图6示意性地显示了用于控制功率晶体管的一种方法的时间图。
附图中的元素说明是为了简便以及清晰，不一定按比例绘制。在附图中类似的参考符号表示相同的元素。
具体实施方式
图1示意性地显示了栅极驱动电路10a的一个实施例的一个例子。栅极驱动电路10a被用于驱动功率晶体管12a的栅极端子G。图1的功率晶体管12a是IGBT(绝缘栅双极晶体管)，其具有栅极端子G、发射极端子E和集电极端子C。替选地，功率晶体管12a可以是FET晶体管，特别是N沟道FET晶体管，在这种情况下，发射极端子E是源极端子而集电极端子C是漏极端子。栅极驱动电路10a包括第一电容器C1、第一开关SW1、测量电路5和生成参考电压Vref的参考源6。第一电容器C1的第一端子T11电耦合于功率晶体管12a的栅极端子G。第一开关SW1被布置在第一电容器C1的第二端子T21和第一预定电压Vp1之间，以在开启的时候将第一电容器C1的第二端子T21电耦合于第一预定电压Vp1。测量电路5被用于测量跨越第一电容器C1的差分电压。参考电压Vref可以被测量电路5使用，以测量跨越第一电容器C1的差分电压。栅极驱动电路10a被配置成预充电第一电容器C1，以获得跨越第一电容器C1的第二预定电压Vp2。栅极驱动电路10a还被配置成将第一开关SW1布置在开启状态，以接通功率晶体管12a。当功率晶体管12a被接通的时候，功率晶体管12a处于导通状态，即允许大的电流流过并且在由功率晶体管12a的集电极端子C和发射极端子E形成的主导通路径中具有低损耗。当第一开关SW1被布置在开启状态的时候，第一预定电压Vp1电耦合于第一电容器C1的第二端子T21。由于第一电容器C1被预充电在第二预定电压Vp2，所以功率晶体管12a的栅极端子G位于对应于第一预定电压Vp1减去第二预定电压Vp2的电压。如上述在背景技术中所描述的，如果功率晶体管12a是IGBT，那么栅极端子G处用于接通IGBT所需的电压可以大约是+15V。高于+15V的电压可能破坏IGBT，低于+15V的电压在导通状态可能增加IGBT损耗。当接通第一开关SW1的时候，在栅极端子G处生成足够的电压以接通IGBT。此外，电荷转移开始从第一电容器C1流动到IGBT的栅极端子G，以将IGBT带入导通状态。在接通功率晶体管12a期间，测量电路5监视跨越第一电容器C1的差分电压。当到栅极端子G的电荷转移使得跨越第一电容器C1的差分电压等于参考电压Vref的时候，测量电路5被配置为将第一开关SW1布置在关断状态。以这种方式，从第一电容器C1到功率晶体管12a的栅极端子G的电荷转移被停止，并且功率晶体管12a(例如，IGBT)被带到导通状态。换句话说，为了接通图1的IGBT，需要给栅极电容器Cg充电。经由在第一开关SW1的导通状态期间第一电容器C1的电荷转移(其迫使第一预定电压Vp1到第一电容器C1的第二端子T21)，来将IGBT的栅极电容器Cg充电。当从第一电容器C1的电荷转移对应于等于参考电压Vref的、跨越第一电容器C1的差分电压的时候，第一开关SW1被布置处于关断状态并且IGBT处于导通状态。以这种方式，从第一电容器C1到IGBT的栅极电容器Cg的电荷转移可以精确地控制，并且精确的电压(例如，对于IGBT是+15V)可以在IGBT的栅极端子G处生成。参考电压Vref因此是从第一电容器C1到IGBT的栅极电容器Cg的电荷转移的一种测量。图1的IGBT通常是具有预定设计参数的分立组件。因此，IGBT的栅极电容器Cg也是已知的预定设计参数。第一电容器C1例如可以是位于栅极驱动电路10a的一部分之外的表面安装装置(即SMD)，它可以被集成在芯片上。第一电容器C1可能具有10uF的电容值，该值可以太大而不能被集成在芯片上。可以被集成在芯片上的栅极驱动电路10a的那部分例如可能包括测量电路5和第一开关SW5。第一电容器C1因此也是已知的设计组件。跨越第一电容器C1的差分电压生成的电荷等于：
Q＝ΔV·C1，
其中Q是生成的电荷，并且ΔV是跨越第一电容器C1的差分电压。当跨越第一电容器C1的差分电压ΔV等于参考电压Vref的时候，第一开关SW1被布置在关断位置并且等量的电荷Q被转移到栅极电容器Cg：
Q＝(ΔV1)·Cg，
其中Q是被转移到栅极电容器Cg的电荷，并且ΔV1是跨越栅极电容器Cg的差分电压，该差分电压是跨越功率晶体管12a的栅极端子G和发射极端子E的电压。
通过知道第一电容器C1和栅极电容器Cg以及通过到目前为止所描述的控制跨越第一电容器C1的差分电压ΔV，跨越栅极电容器Cg的差分电压ΔV1(即IGBT的栅极-发射极电压)被精确地确定。跨越栅极电容器Cg的差分电压ΔV1例如可以精确的是在导通状态IGBT所需的+15V。
在根据本发明的另一个例子中，第二预定电压Vp2可以依赖于参考电压。正如所说的，测量电路5可能使用参考电压Vref以测量跨越第一电容器C1的差分电压。如果第二预定电压Vp2依赖于参考电压Vref，那么跨越第一电容器C1的差分电压相对于第一电容器C1被预充电到的第二预定电压Vp2变化的等于参考电压Vref的量，可以相关于参考电压Vref而被直接检测。以这种方式，测量电路5可以被简化。测量电路5例如可以是差分比较器，其比较被测量电压，即跨越第一电容器C1的差分电压与参考电压Vref。
在根据本发明的另一个例子中，第二预定电压Vp2可以是升压电压Vboost和参考电压Vref的线性组合。升压电压Vboost例如可以是10V。参考电压Vref可能有230mV的值。第二预定电压Vp2可以是升压电压Vboost和参考电压Vref之间的差(例如，10V减去230mV)。第二预定电压Vp2可以因此是大的升压电压Vboost和小的参考电压Vref的线性组合。在IGBT接通期间，第一电容器C1可以被充电到的大升压电压Vboost可能确保大的电压可以在IGBT的栅极端子G处生成。如先前所述，当第一开关SW1处于开启状态，即接通IGBT的时候，所生成的大的电压是第一预定电压Vp1和第二预定电压Vp2之间的差。在给定的例子中，第二预定电压Vp2可以大约是10V，即10V减去230mV，而第一预定电压Vp1可以是30V。结果，可以在IGBT的栅极端子G生成大约20V的电压。IGBT可能具有内部接触电阻，通过该内部接触电阻，从第一电容器C1到栅极电容器Cg的电荷转移(即充电电流)可以发生。在IGBT的栅极端子G处生成的20V电压可能确保可以在IGBT的内部接触电阻内生成足够电流，以驱动处于导通状态的IGBT。IGBT可以是大功率晶体管，在其中在导通状态中大的集电极电流可以流动。可能在IGBT内流动的大的集电极电流可以在数百安培范围内。大的集电极电流例如可以是400A。IGBT的发射极端子E可以被连接到参考电位GND(例如，通常是接地0V电位)。提供从发射极端子E到参考电位GND的连接的互连可能具有寄生电感。该寄生电感被本领域已知为杂散电感。杂散电感可以非常小，在1nH的量级。然而，在接通IGBT期间，大且快速的集电极电流变化，即大的dIc/dt可能导致跨越杂散电感的大电压降。对于1nH的杂散电感，跨越杂散电感的电压降例如可以是5V。这个大的电压降可能会给施加到IGBT以接通IGBT的内部栅极发射极电压留下很小的裕量。在第一电容器C1被大约预充电到的升压电压Vboost可能给接通IGBT所需的内部栅极发射电压增加裕量。以这种方式，可以达到接通IGBT所需的内部栅极发射极电压，使得IGBT完全接通，不再饱和并且具有最小的功率损耗，即对于给定开关电流具有最小的集电极到发射极电压降。进一步说，结合精确控制到栅极电容器Cg的电荷转移的量，在第一电容器C1被预充电到的升压电压Vboost可能加速接通IGBT。实际上，与栅极电容器Cg一起使用的内部栅极电阻形成了由栅极端子G处生成的电压供应的RC电路。通过精确控制跨越第一电容器C1的差分电压，可以实现精确控制大于+15V的电压多长时间可能被施加到栅极端子G以确保快速接通IGBT。换句话说，受控的过冲(参照额定所需电压+15V)可能在栅极端子G处被提供，以确保快速接通IGBT。该受控过冲确保了IGBT的最佳开关速度性能并且防止损坏IGBT。相比现有技术文件EP1596496A1，图1中提出的解决方案显示了更好地控制跨越第一电容器C1的差分电压，从而更好地控制从第一电容器C1到栅极电容器Cg的电荷转移。
在根据本发明的另一个实际例子中，测量电路5可以被配置成当跨越第一电容器C1的差分电压已经达到升压电压Vboost的时候，将第一开关SW1布置在开启状态。在上述的例子中，第二预定电压Vp2是升压电压Vboost和参考电压Vref之间的差。对于相同的例子，每当跨越第一电容器C1的差分电压已经增加了参考电压Vref，即每当跨越第一电容器C1的差分电压达到升压电压Vboost值的时候，测量电路5可以被配置成打开第一开关SW1。在这个实际例子中，第一电容器C1的预充电例如可以通过下述方式被简化：通过将第一电容器C1的第一端子T11预充电到参考电压Vref以及通过将第一电容器C1的第二端子T21预充电到升压电压Vboost。
图2示意性地显示了栅极驱动电路10a的实际实施例的另一个例子。图2的栅极驱动电路10a还包括可开关参考源Vrefsw。可开关参考源Vrefsw包括参考源6。可开关参考源Vrefsw可以被布置为电耦合于第一电容器C1的第一端子T11。当第一电容器C1被预充电到第二预定电压Vp2的时候，可开关参考源Vrefsw被配置为将参考源6电连接到第一电容器C1的第一端子T11。在第一电容器C1被预充电到第二预定电压Vp2之后，可开关参考源Vrefsw还被配置为将参考源6从第一电容器C1的第一端子T11电断开连接。图2的栅极驱动电路10a还包括预充电电路7，以在第一电容器C1的第二端子T21处生成升压电压Vboost。在这种实际实施例中，第一电容器C1可以被预充电到升压电压Vboost减去参考电压Vref。进一步说，生成参考电压Vref的参考源6可以从第一电容器C1的第一端子T11被切断，使得功率晶体管12a的栅极端子G可以被上拉以将功率晶体管12a带入导通状态，或者被下拉(例如，到负电压)，以将功率晶体管12a带入关断状态。可开关参考源Vrefsw可以被测量电路5使用，使得在测量跨越第一电容器C1的差分电压期间生成参考电压Vref的参考源6可以被连接到测量电路5。可开关参考源Vrefsw可能包括被布置在环路中的调节器以生成参考电压Vref。可开关参考源Vrefsw可能包括附加电路，以在接通或断开功率晶体管12a期间已经达到期望电压的时候，将栅极端子G处的电压钳位到期望电压。
图3示意性地显示了栅极驱动电路10a的实际实施例的另一个例子。图3类似于图2。图3显示了包括在预充电电路7中的附加组件。预充电电路7包括电压限制器VL和第二开关SW2。电压限制器VL电耦合于第一电容器C1的第二端子T21。电压限制器的VL具有电耦合于第一电容器C1的第二端子T21的第一端子T1VL和借助于第二开关SW2电耦合于参考电位GND的第二端子T2VL。栅极驱动电路10a被配置成在第一电容器C1的预充电期间将第二开关SW2布置在导通状态以及在第一电容器C1的预充电之后将第二开关SW2布置在关断状态。电压限制器VL例如可以是齐纳二极管，其阴极被连接到第一电容器C1的第二端子T21，并且其阳极被连接到第二开关SW2。齐纳二极管例如可以是10V的齐纳二极管并且第一电容器C1的第二端子T21处的电压可以被钳位到10V。第一电容器C1的预充电可以借助于第一开关SW1和第一预定电压Vp1发生。第一开关SW1例如可以是N沟道FET并且在第一电容器C1的预充电期间可以被配置为电流源，用以提供用于预充电第一电容器C1的电流。替代地，第一电容器C1可以借助于另一个电流源被预充电，所述另一个电流源例如可以被连接到第一电容器C1的第一端子T11和参考电位GND之间。用于预充电第一电容器C1的电流源例如可以是预充电电路7的一部分。替代地，电流源可以是可开关参考源Vrefsw的一部分。
图4根据本发明示意性地显示了实际实施例的另一个例子。图4类似于图3。在图4中，图3的测量电路5是比较器10。比较器10的第一输入IN1电耦合于电压限制器VL的第二端子T2VL。比较器10的第二输入IN2电耦合于第一电容器C1的第一端子T11。比较器10可能检测等于参考电压Vref的跨越第一电容器C1的差分电压。实际上，在第一电容器C1预充电期间，第二开关SW2可以处于开启状态并且参考源6可以被电连接到第一电容器C1的第一端子T11。因此，在第一电容器C1预充电期间，第一电容器C1的第二端子T21可以被钳位到跨越电压限制器VL的电压(例如，升压电压Vboost)并且第一电容器C1的第一端子T11可以被钳位到参考电压Vref。跨越第一电容器C1的第二预定电压Vp2可以因此是跨越电压限制器VL的电压和参考电压Vref之间的差。在接通功率晶体管12a期间，第一开关SW1处于开启状态，第二开关SW2可以处于关断状态，并且可开关参考电压Vrefsw可以被配置成将参考源6从第一电容器C1的第一端子T11电断开连接。在接通功率晶体管12a期间，跨越第一电容器C1的差分电压可能增加了参考电压Vref，在这种情况下，跨越第一电容器C1的差分电压可以是跨越电压限制器VL的电压。结果，电压限制器VL的第二端子T2VL处的电压可能也增加了参考电压Vref并且比较器10的第一端子IN1和比较器10的第二端子IN2之间的电压差可能达到0V。当比较器10检测到在第一端子IN1和第二端子IN2之间的零电压差，即V(IN1)-V(IN2)＝0，比较器10可能将第一开关SW1布置在关断状态，以将第一预定电压Vp1从第一电容器C1的第二端子T21电断开连接。
比较器10可以是任何类型的适当比较器，用以检测两个电压之间相对于参考电位GND(例如，0V接地电位)的电压差。
图5示意性地显示了功率变换器。图5所示的功率变换器包括到目前为止所描述的栅极驱动电路10a和功率晶体管12a。图5的功率晶体管12a是IGBT。功率变换器还包括也是IGBT的另外功率晶体管16a。所述另外功率晶体管16a的栅极端子G2电耦合于另外的栅极驱动电路30a。所述另外的栅极驱动电路30a被示出为空的方框，因为该另外的栅极驱动电路30a等效于栅极驱动电路10a，并且为简化起见，具有相同功能的组件没有绘制。在功率被变换器拓扑中，低侧处的功率晶体管12a被连接到高侧处的另外功率晶体管16a。另外的功率晶体管16a的发射极端子E2电耦合于低侧处的功率晶体管12a的集电极端子C。所述另外的功率晶体管16a的集电极端子C2电耦合于电源电压HV。电压电源HV给功率变换器拓扑供电，从而给低侧功率晶体管12a和高侧功率晶体管16a供电。电压电源HV可以是例如来自电池的高电压电源。在电动车辆电池中，所述高电压电源在完全充电时可以是300伏的量级。当电动车辆的电池被放电的时候，所述高电压电源可能下降到200V。功率变换器的输出OUT被用于驱动负载(图5中未显示)。功率变换器可以被配置成交替地使低侧功率晶体管12a或高侧功率晶体管16a接通。在驱动负载期间，低侧功率晶体管12a和高侧功率晶体管16a可能不被同时接通。以这种方式，可以避免发生将电源电压HV直接连到参考电位GND的短路。应注意，功率变换器的输出OUT从参考电位GND到电压电源HV可能改变几百伏。正如图5中从功率变换器的输出OUT绘制到栅极驱动电路30a的虚线所示，功率变换器的输出OUT是被另外的栅极驱动电路30a使用的参考电位。
图5的栅极驱动电路10a还包括已经在图4中所附加示出的：设置-重置触发器13、第二电容器C2和第三开关SW3。设置-重置触发器13具有输出OUT2，其电耦合于第一开关SW1以控制第一开关SW1。比较器10的输出OUT1电耦合于设置-重置触发器13的重置输入Reset。设置-重置触发器13的重置输入Reset被配置成：在第一电容器C1已经被充电到等于参考电压Vref的差分电压的时候，从比较器10的输出OUT1接收信号，以将第一开关SW1布置在关断状态。设置-重置触发器13具有设置输入Set。设置-重置触发器13的设置输入Set被配置成在接通功率晶体管12a期间接收信号，以将第一开关SW1布置在开启状态。第一开关SW1可以借助于缓冲器15被控制。替换地，第一开关SW1可以在没有缓冲器15的情况下被控制。
第二电容器C2具有第一端子T12，其电耦合于第一电容器C1的第二端子T21。第二电容器C2具有第二端子T22，其电耦合于第一开关SW1的控制端子17。第二电容器C2的第二端子T22可以借助于缓冲器15耦合于控制端子17。第二电容器C2的第二端子T22可以被用于供应缓冲器15，以完全接通第一开关SW1。为了进一步解释，第一开关SW1可以是NMOS晶体管，其可以被用于驱动功率晶体管12a的栅极端子G。在栅极驱动电路中，NMOS晶体管通常优于PMOS晶体管，因为对于相同电流能力，它们可以更小。然而，使用NMOS晶体管代替PMOS晶体管意味着可能需要比栅极驱动电路10a的供电电源电压高的电压以完全接通NMOS晶体管，从而使主导电路径中NMOS晶体管的开启电阻最小化并且因此结果使显著的热损耗最小化。第一预定电压Vp1可以是栅极驱动电路10a的供电电源电压。因此，第一预定电压Vp1比第二预定电压Vp2更高。第二电容器C2可以在接通功率晶体管12a期间被使用，以相对于参考电位GND将第二电容器C2的第二端子T22处的电压提升到高于第一预定电压Vp1，以完全接通第一开关SW1。第二电容器C2可能因此在接通功率晶体管12a期间作为所谓的“自举”(Bootstaap)电容器而起作用。第二电容器C2可能有100nF的电容。
图5的第三开关SW3被布置在第一电容器C1的第二端子T21和参考电位GND之间，以当开启的时候将第一电容器C1的第二端子T21电耦合于参考电位GND。第三开关SW3可以是N沟道FET。第三开关SW3被用于断开功率晶体管12a以及将第一电容器C1放电。在第三开关SW3被布置在开启状态时，栅极电容器Cg和第一电容器C1可以同时放电。第三开关SW3可以与第一电容器C1组合使用，以通过单一供电电源电压(例如，第一预定电压Vp1)来断开图5的IGBT。实际上，本领域所属技术人员知道的，IGBT需要栅极端子G处的负电压以被断开。当第一电容器C1先前被预充电到正的第二预定电压Vp2(例如，正如先前描述的，10V减去250mV)并且第三开关SW3被连续布置在开启状态的时候，IGBT的栅极端子G处于负电压，该负电压等于第二预定电压Vp2的负值(例如,正如先前描述的，-10V加上250mV)。换句话说，第三开关SW3和第二电容器C2组合使用可能允许通过使用单一供电电源电压Vp1来断开IGBT。
另一对功率变换器可以被布置在三相半桥或全桥拓扑中。该三相半桥或全桥拓扑可以被用于驱动背景技术中所描述的三相电感或异步电机。该三相电感或异步电机例如可以是电动或混合动力汽车的动力传动系。
在根据本发明的另一个例子中，栅极驱动电路10a的一部分和/或图5中所示的功率变换器的栅极驱动器电路30a可以被集成到单一集成电路中。在所述单一集成电路中集成的部分可能包括到目前为止所描述的所有组件，除了第一电容器C1和第二电容器C2。第一电容器C1和第二电容器C2可以被放置在所述单一集成电路之外。第一电容器C1和第二电容器C2可能有非常大的电容以致于很难在芯片上集成。第一电容器C1和第二电容器C2例如可以是放置在功率模块中的SMD(表面安装装置)。
图6显示了用于控制功率晶体管12a的一种方法的时间图。所提供的时间图涉及控制具有从图1-5描述的栅极驱动电路10a的IGBT的方法。图6表示了不同时间步长。每个时间步长表示第一开关SW1和第三开关SW3的状态变化。该方法将参照这些状态变化进行说明。顶部两个曲线描述了设置-重置触发器13的功能。从顶部数第三曲线显示了跨越第一电容器C1的差分电压Vc1。从顶部数第四曲线显示了跨越IGBT的栅极-发射极电压。图6底部的两个曲线显示了第一开关SW1和第三开关SW3如何被控制成接通和断开IGBT。
所述方法包括：1)在第一电容器C1和预定电压Vp1之间提供第一开关SW1，其中所述第一电容器C1的第一端子T11被连接到功率晶体管12a的栅极端子G，2)在时间t0和时间t1之间预充电第一电容器C1，以获得跨越第一电容器C1的第二预定电压，3)在时间t1将第一开关SW1布置在开启状态，以将第一预定电压Vp1电耦合于第一电容器C1的第二端子T21，4)在时间t0和时间t1之间借助于测量电路5测量跨越第一电容器C1的差分电压，5)如果跨越所述第一电容器C1的差分电压相对于第二预定电压Vp2已经改变了参考电压Vref，那么在时间t2将第一开关SW1布置在关断状态，在图6中所示的例子中，第二预定电压Vp2等于升压电压Vboost减去参考电压Vref。当在接通IGBT期间给第一电容器C1充电的时候，跨越第一电容器C1的差分电压增加到升压电压Vboost。
到目前为止所描述的方法可能包括：在5)在时间t2将第三开关SW3布置在关断状态之后，6)在时间t3将第三开关SW3布置在开启状态以将第一电容器C1的第二端子T21电耦合于参考电位GND，以及7)在时间t4将第三开关SW3布置在关断状态以及将第一开关SW1布置在开启状态，以重新充电第一电容器C1。
可选地，所述方法可能包括：在6)在时间t3将第三开关SW3布置在开启状态以将第一电容器C1的第二端子T21电耦合于参考电位GND之前，5b)在时间t2和t3之间将IGBT的栅极端子G处的电压钳位到+15V(即，IGBT的期望接通电压)，以及可选地在6)在时间t3将第三开关SW3布置在开启状态以将第一电容器C1的第二端子T21电耦合于参考电位GND之后，8)将IGBT的栅极端子G处的电压钳位到-10V(即，IGBT的期望断开电压)。在时间t3之后，第一电容器C1被放电到低于第二预定电压Vp2的电压。在时间t1之前，第一电容器C1可以被预充电，而在时间t1之后，IGBT可以是可操作的，并且利用在栅极端子G处所需要的+15V和-10V电压被接通或断开。
在前面的说明中，参照本发明实施例的特定例子已经对本发明进行了描述。然而，很明显各种修改和变化可以在不脱离附属权利要求中所陈述的本发明的宽范围精神及范围的情况下被做出。例如，电耦合器件之间的连接可以是任何类型的连接。该连接适于将信号从或传输到各自的节点、单元或器件，例如通过穿孔中间器件。因此，除非暗示或说明，连接，例如，可能是直接连接或间接连接。连接可以被说明或描述，涉及到是单一连接、多个连接、单向连接、或双向连接。例如，在图1-4中，在功率晶体管12a的集电极端子C上画了虚线以表示可能有其它组件电耦合于功率晶体管12a的集电极端子C。这些其它组件例如在图5的实际实施例中被进一步详细说明。
由于实施本发明的装置大部分是由本领域所属技术人员所熟知的电子元件以及电路组成，电路的细节不会在比上述所说明的认为有必要的程度大的任何程度上进行解释。对本发明基本概念的理解以及认识是为了不混淆或偏离本发明所教之内容。例如，图3-5的可开关电压参考Vrefsw和预充电电路7可以以本领域所属技术人员所熟知的替代方式来实施。
关于特定导电类型或电位极性，虽然本发明已被描述，技术人员知道导电类型和电位极性可以是相反的。
应了解图1-5显示了本发明的一些架构。本发明描述的架构仅仅是示范的，并且事实上实现相同功能的很多其它架构可以被实现。从抽象的但仍有明确意义上来说，为达到相同功能的任何元件的布置是有效的“关联”，使得实现所需功能。因此，本发明中为实现特定功能的任意两个元件的结合可以被看作彼此“相关联”使得实现所需功能，不论架构或中间元件。同样地，任意两个元件这样的关联也可以被看作是“可操作性连接”或“可操作性耦合”于对方以实现所需功能。
又如，在图1-5的实施例中，栅极驱动电路10a的所示元件或栅极驱动电路10a的所示部分可以位于单一集成电路上或相同器件内。或者，栅极驱动电路10a的所示元件或栅极驱动电路10a的所示部分可能包括任何数量的单独集成电路或彼此互联的单独装置。
在权利要求中，放置在括号之间的任何参考符号不得被解释为限定权利要求。单词“包括”不排除其它元素或随后在权力要求中列出的那些步骤的存在。此外，本发明所用的“a”或“an”被定义为一个或多个。并且，在权利要求中所用词语如“至少一个”以及“一个或多个”不应该被解释以暗示通过不定冠词“a”或“an”引入的其它权利要求元素限定任何其它特定权利要求。所述特定权利要求包括这些所介绍的对发明的权利元素，所述权利元素不仅仅包括这样的元素。即使当同一权利要求中包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”以及不定冠词，例如“a”或“an”。使用定冠词也是如此。除非另有说明，使用术语如“第一”以及“第二”是用于任意差分这些术语描述的元素的。因此，这些术语不一定表示时间或这些元素的其它优先次序。某些措施在相互不同的权利要求中被列举的事实并且不表示这些措施的组合不能被用于获取优势。

Claims (20)

1.一种用于功率晶体管(12a)的栅极驱动电路(10a)，所述栅极驱动电路(10a)包括：
第一电容器(C1)，所述第一电容器(C1)的第一端子(T11)电耦合于所述功率晶体管(12a)的栅极端子(G)，
第一开关(SW1)，所述第一开关(SW1)被布置在所述第一电容器(C1)的第二端子(T21)和第一预定电压(Vp1)之间，
测量电路(5)，所述测量电路(5)用于测量跨越所述第一电容器(C1)的差分电压，
参考源(6)，所述参考源(6)用于生成参考电压(Vref)，
所述栅极驱动电路(10a)被配置成：将所述第一电容器(C1)预充电，以获得跨越所述第一电容器(C1)的第二预定电压(Vp2)，所述栅极驱动电路(10a)还被配置成：将所述第一开关(SW1)布置在开启状态，用于接通所述功率晶体管(12a)，以将所述第一预定电压(Vp1)电耦合于所述第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)，所述第一电容器(C1)被预充电在所述第二预定电压(Vp2)，所述测量电路(5)被配置为：当跨越所述第一电容器(C1)的所述差分电压相对于所述第二预定电压(Vp2)已经改变了所述参考电压(Vref)的时候，将所述第一开关(SW1)布置在关断状态。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述第二预定电压(Vp2)依赖于所述参考电压(Vref)。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述第二预定电压(Vp2)是升压电压(Vboost)和所述参考电压(Vref)的线性组合。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动电路(10a)，其中，所述测量电路(5)被配置为：当跨越所述第一电容器(C1)的所述差分电压达到所述升压电压(Vboost)的时候，将所述第一开关(SW1)布置在关断状态。
5.根据权利要求2或3或4所述的栅极驱动电路(10a)，所述栅极驱动电路(10a)还包括可开关参考源(Vrefsw)和预充电电路(7)，所述可开关参考源(Vrefsw)包括所述参考源(6)，所述可开关参考源(Vrefsw)被布置为电耦合于所述第一电容器(C1)的所述第一端子(T11)，所述可开关参考源(Vrefsw)被配置成：i)在所述第一电容器(C1)的所述预充电期间，将所述参考源(6)电连接到所述第一电容器(C1)的所述第一端子(T11)，以及ii)在所述第一电容器(C1)的所述预充电之后，将所述参考源(6)从所述第一电容器(C1)的所述第一端子(T11)电断开连接，以及所述预充电电路(7)被配置成：在所述第一电容器(C1)的所述预充电期间，在所述第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)处生成所述升压电压(Vboost)。
6.根据权利要求5所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述预充电电路(7)包括电压限制器(VL)和第二开关(SW2)，所述电压限制器(VL)的第一端子(T1VL)电耦合于所述第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)，所述电压限制器的第二端子(T2VL)借助于所述第二开关(SW2)电耦合于参考电位(GND)，所述栅极驱动电路(10a)被配置成：i)在所述第一电容器(C1)的所述预充电期间，将所述第二开关(SW2)布置在开启状态，以及ii)在所述电容器(C1)的所述预充电之后，将所述第二开关(SW2)布置在关断状态。
7.根据权利要求6所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述测量电路(5)是比较器(10)，所述比较器(10)的第一输入(IN1)电耦合于所述电压限制器(VL)的所述第二端子(T21)，所述比较器(10)的第二输入(IN2)电耦合于所述第一电容器(C1)的所述第一端子(T11)。
8.根据权利要求7所述的栅极驱动电路(10a)，还包括设置-重置触发器(13),所述设置-重置触发器的输出(OUT2)电耦合于所述第一开关(SW1)，以用于控制所述第一开关(SW1)，所述设置-重置触发器(13)的重置输入(Reset)电耦合于所述比较器(10)的输出(OUT1)，所述重置输入(Reset)被配置成：从所述比较器(10)接收信号，以用于将所述第一开关(SW1)布置在关断状态，所述设置-重置触发器(13)的设置输入(Set)被配置成：接收信号，以用于将所述第一开关(SW1)布置在开启状态。
9.根据任何一项前述权利要求以及从属权利要求6所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述栅极驱动电路(10a)还包括第三开关，所述第三开关被布置在所述第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)和所述参考电位(GND)之间，以当开启的时候将所述第二端子(T21)电耦合于所述参考电位(GND)。
10.根据任何一项前述权利要求所述的栅极驱动电路(10a)，还包括第二电容器(C2)，所述第二电容器(C2)的第一端子(T12)电耦合于第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)，所述第二电容器(C2)的第二端子(T22)电耦合于所述第一开关(SW1)的控制端子(17)。
11.根据任何一项前述权利要求所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述第一预定电压(Vp1)大于所述第二预定电压(Vp2)。
12.根据任何一项前述权利要求以及从属权利要求5和9所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述第一开关(SW1)、所述第二开关(SW2)和所述第三开关(SW3)是N沟道场效应晶体管。
13.根据任何一项前述权利要求所述的栅极驱动电路(10a)，其中所述功率晶体管(12a)是IGBT。
14.一种功率变换器，包括根据任何一项前述权利要求所述的所述功率晶体管(12a)和所述栅极驱动电路(10a)，所述功率变换器还包括另外的功率晶体管(16a)，所述另外的功率晶体管(16a)的栅极端子(G2)电耦合于根据任何一项前述权利要求所述的另外的栅极驱动电路(30a)，所述另外的功率晶体管(16a)的发射极或源端子(E2)电耦合于所述功率晶体管(12a)的所述控制端子(C)，并且所述另外的功率晶体管(16a)的集电极或漏极端子(C2)电耦合于电源电压(HV)。
15.一种功率模块，包括根据权利要求14所述的所述功率变换器，所述功率模块还包括根据权利要求14所述的另外的功率变换器对，所述另外的功率变换器对被布置在三相半桥或全桥拓扑内。
16.一种集成电路，包括根据权利要求1-13中任何一项所述的所述栅极驱动电路(10a)或根据权利要求1-13中任何一项所述的所述栅极驱动电路(10a)的所述第一开关(SW1)、所述测量电路(5)和所述参考源(6)。
17.一种集成电路，包括根据权利要求14所述的所述栅极驱动电路(10a)和/或所述功率变换器的所述另外的栅极驱动电路(30a)、或根据权利要求14所述的所述栅极驱动电路(10a)的所述第一开关(SW1)、所述测量电路(5)和所述参考源(6)以及所述功率变换器的所述另外的栅极驱动电路(30a)的等效第一开关、等效测量电路和等效参考源。
18.一种电动或混合动力汽车，包括根据权利要求1-13中任何一项所述的所述栅极驱动电路(10a)、或包括根据权利要求14所述的所述功率变换器、或包括根据权利要求15所述的所述功率模块、或根据权利要求16或17所述的所述集成电路。
19.一种用于控制功率变换器(12a)的方法，所述方法包括：
在第一电容器(C1)和第一预定电压(Vp1)之间提供第一开关(SW1)，所述第一电容器(C1)的第一端子(T11)被连接到所述功率晶体管(12a)的栅极端子(G)，
将所述第一电容器(C1)预充电，以获得跨越所述第一电容器(C1)的第二预定电压(Vp2)，
将所述第一开关(SW1)布置在开启状态，用于将所述第一预定电压(Vp1)电耦合于所述第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)，
借助于测量电路(5)，测量跨越所述第一电容器(C1)的差分电压，
如果跨越所述第一电容器(C1)的所述差分电压相对于所述第二预定电压(Vp2)已经改变了参考电压(Vref)，则将所述第一开关(SW1)布置在关断状态。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：在将所述第一开关(SW1)布置在关断状态之后：
将第三开关(SW3)布置在开启状态，以将所述第一电容器(C1)的所述第二端子(T21)电耦合于参考电位(GND)，
将所述第三开关(SW3)布置在关断状态以及将所述第一开关(SW1)布置在开启状态，以将所述第一电容器(C1)重新充电。
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