CN106160438A - 用于降低绝缘栅双极晶体管中的集电极发射极电压过冲的方法和电路 - Google Patents

用于降低绝缘栅双极晶体管中的集电极发射极电压过冲的方法和电路 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)中的集电极‑发射极电压(VCE)过冲的电路。电路包括可操作以生成具有与IGBT的集电极或发射极电流在IGBT的关闭期间开始下降的时刻同步的上升沿以及作为VCE过冲的持续时间的一部分的宽度的脉冲的电路装置。电路装置还可操作以将脉冲与向IGBT的栅极施加的控制信号组合以针对所述脉冲的持续时间在所述开关周期的所述第二阶段中将所述IGBT的所述栅极电压暂时升高至所述IGBT的门限电压以上。提供了一种减小IGBT中的VCE过冲的对应方法。

Description

用于降低绝缘栅双极晶体管中的集电极发射极电压过冲的方 法和电路
技术领域
本申请涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，特别地涉及减小IGBT中的集电极-发射极电压过冲。
背景技术
在IGBT的关闭期间，IGBT的集电极(C)和发射极(E)端子上的电压(VCE)通常过冲超过其额定值。这样的VCE关闭过冲降低了IGBT操作的安全裕度并且可能在超过最大VCE击穿电压额定值时导致IGBT的立刻破坏。减小VCE关闭过冲的关键因素是减小关闭期间集电极电流IC的上升速率(diC/dt)。然而，关闭期间的diC/dt很难控制。对于其中绝缘栅极布置在形成在诸如硅等半导体材料中的沟槽中的沟槽栅极IGBT尤其是这样。沟槽栅极IGBT与平面栅极IGBT相比具有明显更大的内部电容。这一内部电容在IGBT的打开期间存储电荷，并且这些电荷在IGBT的关闭期间必须被去除。IGBT的高的内部电容使得更加难以控制IGBT关闭，并且因此更加难以减小VCE过冲而没有明显减小效率。
有五个主要的减小沟槽栅极IGBT的VCE关闭过冲的方法。在第一方法中，增加关闭栅极电阻器RGOFF。这一方法在IGBT关闭过程期间使用更高的栅极电阻器。这一方法的一个缺点在于放缓了整个关闭过程，从而导致关闭损失EOFF明显增加。
在第二方法中，关闭栅极电压可调节。这一方法使用在门限电压以下的不同的栅极电压以减小关闭期间栅极的放电速率。这一方法的一个缺点在于放缓了整个开关过程，从而导致关闭损失明显增加。
在第三方法中，使用有效电压钳位。这一方法使用集电极电压反馈来在关闭过程期间在VCE超过预定水平时立刻打开栅极。这一方法的一个缺点在于需要来自IGBT的集电极的电压反馈，这导致高压IGBT应用的可靠性问题。另外，这一方法没有控制或减小关闭dIC/dt。
在第四方法中，使用动态电压上升控制(DVRC)。DVRC使用一个或多个电容器来感测集电极电压并且使用所感测的信号来在关闭过程期间在dVCE/dt超过预定水平时立刻打开栅极。这一方法的一个缺点在于需要来自IGBT的集电极的反馈，这导致高压IGBT应用的可靠性问题。
在第五方法中，通过发射极电感电压反馈来实现di/dt控制。这一方法使用发射极杂散电感来生成diE/dt电压信号，其被添加至栅极电压并且在IE下降时用作到栅极电压的负反馈。可以添加齐纳二极管和/或电阻器网络以钳位或调节反馈电压。这一方法在短路之后在必须基本上通过减小在反馈回路中的高增益的情况下实现的关闭diE/dt在高的diE/dt的情况下关闭非常高的电流时在减小VCE过电压方面很有用，这是以关闭时间的增加以及因此以损失EOFF的增加为代价的。在使用这一技术在正常操作期间减小关闭VCE过冲时，由于反馈动作遍及电流下降时间tF(电压过冲周期)有效，所以将明显增加下降时间tF和EOFF，这通常对于正常操作而言是不可接受的。
发明内容
根据电路的实施例，电路包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，IGBT可操作以响应于向IGBT的栅极施加的控制信号在开关周期的第一阶段传导电流并且在开关周期的第二阶段阻挡电流，其中在开关周期的第二阶段在IGBT的集电极-发射极电压(VCE)中发生过冲。电路还包括可操作以生成具有与通过IGBT的电流在开关周期的第二阶段开始下降的时刻同步的上升沿以及作为VCE过冲的持续时间的一部分的宽度的脉冲的电路装置。电路装置还可操作以将脉冲与向IGBT的栅极施加的控制信号组合以针对脉冲的持续时间在开关周期的第二阶段中将IGBT的栅极电压暂时升高至IGBT的门限电压以上。
根据减小IGBT的过冲的方法的实施例，IGBT可操作以响应于向IGBT的栅极施加的控制信号来在开关周期的第一阶段传导电流并且在开关周期的第二阶段阻挡电流，在开关周期的第二阶段中IGBT的集电极-发射极电压(VCE)发生过冲，方法包括：生成具有与通过IGBT的电流在开关周期的第二阶段开始下降的时刻同步的上升沿以及作为VCE过冲的持续时间的一部分的宽度的脉冲；以及将脉冲与向所述IGBT的栅极施加的控制信号组合针对脉冲的持续时间在开关周期的第二阶段中将IGBT的栅极电压暂时升高至IGBT的门限电压以上。
根据用于减小IGBT中的集电极-发射极电压(VCE)过冲的电路，电路包括可操作以进行以下操作的电路装置：生成具有与IGBT的集电极或发射极电流在IGBT的关闭期间开始下降的时刻同步的上升沿以及作为VCE过冲的持续时间的一部分的宽度的脉冲；以及将脉冲与向IGBT的栅极施加的控制信号组合针对脉冲的持续时间在开关周期的第二阶段中将IGBT的栅极电压暂时升高至IGBT的门限电压以上。
技术人员在阅读以下详细描述时并且在查看附图时应当认识到另外的特征和优点。
附图说明
附图的元素不一定相对于彼此按比例。相似的附图标记表示对应的类似部分。各种图示实施例的特征可以组合，除非它们彼此排除。实施例在附图中描绘并且在随后的描述中详述。
图1图示包括IGBT和用于减小IGBT的VCE过冲的电路装置的电路的实施例的框图；
图2图示与图1所示的电路的操作相关联的时序图；
图3图示在减小IGBT的VCE过冲时使用的电流感测和时间微分电路装置的模拟实施例的示意图；
图4(a)到4(d)图示在减小IGBT的VCE过冲时使用的电流感测和时间微分电路装置的不同的模拟实施例的示意图；
图5(a)到5(c)图示在减小IGBT的VCE过冲时使用的脉冲信号处理电路的不同的模拟实施例的示意图；
图6图示用于组合控制脉冲与IGBT的栅极驱动信号以减小IGBT的VCE过冲的电路的实施例的示意图；
图7图示在减小IGBT的VCE过冲时使用的信号处理和信号组合电路装置的数字实施例的示意图；
图8图示与图7所示的数字电路装置的操作相关联的时序图；
图9(a)到9(c)图示通过短路关闭过电压保护修改的脉冲信号处理电路的不同的模拟实施例的示意图；
图10图示用于提供短路关闭过电压保护的脉冲信号处理和信号组合电路装置的数字实施例的示意图；以及
图11图示与图10所示的数字电路装置的操作相关联的时序图。
具体实施方式
本文中所描述的实施例通过控制和减小正常操作和短路操作的关闭diC/dt或者diE/dt减小了IGBT集电极-发射极电压(VCE)关闭过冲，上述控制和减小通过使用在关闭期间向IGBT栅极施加的在本文中也称为“diE/dt脉冲控制”或“diE/dt控制的短VCE控制脉冲”来实现。IGBT的栅极电压通过这一脉冲被拉升至栅极门限电压VTH以上，使得IGBT在关闭周期期间立刻再次打开，从而减小diE/dt并且因此减小VCE过冲电压峰值。
图1图示包括IGBT 102和用于减小IGBT 102的VCE过冲的电路装置104的电路100的实施例，图2图示与电路100的操作相关联的时序图。在一个实施例中，IGBT 102是其中IGBT102的绝缘栅极布置在形成在诸如硅等半导体材料中的沟槽中的沟槽栅极IGBT。替选地，IGBT 102可以是其中绝缘栅极布置在半导体材料的表面上的平面栅极IGBT。这两种类型的IGBT在半导体技术中都公知，并且因此本文中没有给出对IGBT构造的另外的描述。
IGBT 102响应于向IGBT 102的栅极(G)施加的控制信号(VCE)在开关周期的第一(打开)阶段传导电流(iC/iE)并且在开关周期的第二(关闭)阶段阻挡电流。在IGBT 102的关闭期间，集电极(C)和发射极(E)端子上的电压V(diE/dt)通常过冲超过其额定值。如果保持其不被缓和，则VCE关闭过冲可能导致IGBT操作的安全裕度或者甚至在过冲超过IGBT 102的最大VCE击穿电压额定值的情况下导致IGBT 102的立刻破坏。
电路装置104实现关闭diE/dt/diC/dt的优化控制以及VCE过冲的减小从而缓解与过冲相关联的不利影响。电路装置104迫使IGBT 120在iE/iC开始下降时再次立刻并且暂时打开。这表示，电路装置104在发射极电流IE或集电极电流IC刚开始下降时——即在diE/dt/diC/dt从零增加(其在图2中在时间t2周围)时——生成VGE控制脉冲。为此，电路装置104生成di/dt控制脉冲，其具有与通过IGBT 102的电流(iC或iE，其中的任何一个可以被感测到)在同步周期的第二(关闭)阶段开始下降的时刻同步的上升沿。di/dt控制脉冲的宽度(w)是VCE过冲的持续时间的一部分。在一个实施例中，di/dt控制脉冲的宽度在VCE过冲的持续时间的1/2到1/4之间。
电路装置104将diE/dt控制脉冲与向IGBT 102的栅极施加的控制信号(在图1和2中标记为“栅极驱动信号输入”)组合，以在开关周期的第二(关闭)阶段将IGBT 102的栅极电压VGE在图2所示的脉冲的持续时间期间暂时升高至IGBT 102的门限电压(VTH)。
更特别地，电路装置104感测发射极电流iE或集电极电流IC并且处理所感测的电流信号iE/iC以给出表示电流iE/iC的时间微分的信号V(diE/dt)。时间微分信号V(diE/dt)具有上升沿与iE/iC刚开始下降的时刻同步的电压脉冲的形状，如图2所示。为了实现最优控制结果，使同步的延迟时间最小化。可以通过增加脉冲信号处理电路110的增益来最小化延迟时间。时间微分信号V(diE/dt)触发电路装置104生成短脉冲diE/dt控制脉冲用于在短的持续时间期间打开IGBT 102，以便控制和减小关闭diE/dt并且减小VCE过冲。
存在关于diE/dt控制脉冲的脉冲宽度(时间持续时间)的选择的折衷。更长的脉冲宽度(w)增加关闭能量损失EOFF并且甚至可能导致振荡，而更短的脉冲宽度可能导致关闭diE/dt和VCE过冲的减小不够。最佳脉冲宽度是IGBT固有关闭下降时间的函数并且因此对于高压IGBT或者具有软关闭特性的IGBT而言更长。最佳脉冲宽度也是通信路径的杂散电感的函数。diE/dt控制脉冲的宽度可以固定或者可编程，以根据具体的应用要求来优化，并且被限制为VCE电压过冲持续时间的一部分，例如1/2到1/4等。diE/dt控制脉冲的幅度也可以固定或者可编程。例如，diE/dt控制脉冲的幅度可以通过电路装置104的幅度增益和时间常数设置来控制。这些参数可以由用户来设置。
为了实现最佳性能，电路装置104与diE/dt控制脉冲的持续时间相比具有快速响应和虽小延迟时间。由于IGBT关闭能量损失EOFF在存在diE/dt控制脉冲的情况下增加，所以可以提供启用(EN)功能以使得用户能够选择性地激活/去激活关闭diE/dt控制脉冲功能。例如，当IGBT 102的DC链路电压达到预定值(如果超过该预定值，则IGBT的正常关闭破坏性地给出高的VCE电压过冲)时，激活关闭diE/dt控制脉冲功能。
在实施例中，电路装置104包括用于感测通过IGBT 102的电流的电流感测电路106。可以感测发射极电流iE或集电极电路iC。电路装置104还包括用于处理所感测的电流信号iE/iC以生成与所感测的电流iE/iC的时间微分成比例的信号V(diE/dt)的时间微分电路108。电路装置104还包括脉冲信号处理电路110，脉冲信号处理电路110用于处理V(diE/dt)时间微分信号，通过频率步长来提供输入保护和信号放大，并且生成diE/dt控制脉冲。diE/dt控制脉冲与在最小时间延迟的情况下在IGBT 102的关闭期间iE/iC开始下降的时刻同步。当控制脉冲功能被启用时，diE/dt控制脉冲用于在iE/iC在IGBT关闭期间下降时立刻打开IGBT 102。diE/dt控制脉冲的宽度可以固定或用户可控以使得能够在关闭diE/dt和VCE过冲的减小与增加的关闭能量损失EOFF之间协商，并且diE/dt控制脉冲的宽度限制为VCE电压过冲持续时间的一部分，例如一半、四分之一等。
电路装置104还包括用于将diE/dt控制脉冲与栅极驱动信号组合的信号组合电路112。组合的信号被发送给输出缓冲器级114用于驱动IGBT 102的栅极使得diE/dt控制脉冲将IGBT栅极电压VGE立刻拉升至IGBT栅极门限电压VTH以上并且IGBT关闭diE/dt和VCE门限通过diE/dt控制脉冲的电压电平和脉冲持续时间(宽度)来控制。电路装置104还具有用于选择性地启用或禁止diE/dt控制脉冲功能的启用功能(EN)。在一个实施例中，如果控制信号EN指示要去激活diE/dt控制脉冲功能，则仅向输出缓冲器114直接发送栅极驱动信号而没有diE/dt控制脉冲。如果控制信号EN指示要激活diE/dt控制脉冲功能，则在向输出缓冲器114发送之前将diE/dt控制脉冲与栅极驱动信号组合。启用功能可以在脉冲信号处理电路110中实现，以控制diE/dt控制脉冲与栅极驱动信号的组合。如果向IGBT 102施加的DC链路电压超过预定值，则EN信号应当被激活以生成diE/dt控制脉冲并且与栅极驱动信号组合。
图3示出了电流感测电路106和时间微分电路108的实现实施例。IGBT 102的主发射极端子E处的杂散发射极电感Le用于执行发射极电流iE感测和表示发射极电流iE的时间微分的信号V(diE/dt)的生成这一组合功能。杂散发射极电感Le上的电压VLe(＝LediE/dt)与diE/dt成比例，并且因此用作期望的时间微分信号V(diE/dt)。
图4(a)到4(d)示出了用于生成V(diE/dt)信号的电流感测和时间微分电路106、108的四个不同的实施例。V(diE/dt)信号可以通过测量发射极分流电阻器(RS上的电压)并且用运算放大器差分器电路120对电压求差分来获得，如图4(a)所示。替选地，V(diE/dt)信号可以通过测量罗氏(Rogowski)线圈122的感应的电压输出来获得，如图4(b)所示。在另一实施例中，V(diE/dt)信号可以通过使用电流变压器(CT)124耦合发射极电流iE并且用运算放大器差分器电路126对CT输出电压求差分来获得，如图4(c)所示。在又一实施例中，V(diE/dt)信号可以通过测量电流感测IGBT感测发射极分流电阻器RS上的电压并且用运算放大器差分器电路128对电压求差分来获得，如图4(d)所示。
在使用用于diE/dt感测的杂散发射极电感Le来给出V(diE/dt)时间微分信号时，如图3以及4(a)到4(d)所示，由于诸如IGBT电流额定值ICNOM的宽的范围、封装件杂散集电极发射极电感LSCE和IGBT102的关闭电流下降时间tF等若干因素，VLe信号电压电平的宽的范围是可能的。靠近电压VLe的附近的组成参数LSCEICNOM/(2tF)可以在0.3V到55V的范围内。VLe信号电压电平也变化，因为杂散发射极电感Le不是受控的参数并且遭遇未受控的偏差，例如+-30％，以及从低负载、全负载、过载到短路的IGBT 102的宽的操作电流范围，例如分别在0.1x、1.0x、2.0x、和6.0x ICNOM(额定集电极电流)。
可能的VLe信号电压电平的这样的宽的范围暗示，当杂散发射极电感Le用于diE/dt感测时，应当使用不同的脉冲信号处理电路来满足IGBT 102的LSCEICNOM/(2tF)特性，并且每个脉冲信号处理电路应当被设计成处理动态范围针对操作和短路分别为其额定值的[0.07...2.6]到[0.07...7.8]的输入信号并且对LS参数波动不敏感。
图5(a)到5(c)图示脉冲信号处理电路110的模拟实施例。脉冲信号处理电路110在V(diE/dt)信号开始上升时立刻生成脉冲(diE/dt控制脉冲)，其中可选的用户可选择的脉冲宽度可编程。为了实现这样的同步，脉冲信号处理电路110包括用于在向随后的信号放大器132发送V(diE/dt)信号之前在短路关闭期间钳位以避免过高的V(diE/dt)电压的输入保护电路130。信号放大器132具有足够的增益以覆盖期望的IGBT操作电流范围，例如(0.1-2.0)x ICNOM，以可能通过饱和状态下的操作产生具有更大幅度的输出电压以及在V(diE/dt)信号开始上升时的快速下降/上升的边缘。信号放大器132输出的电压触发随后的脉冲生成器134。由在前的信号放大器输出的下降/上升沿触发的脉冲生成器134生成正的拉升diE/dt控制脉冲。正的拉升diE/dt控制脉冲的宽度可以通过由电容器C2和电阻器R2形成的RC电路来设置。
信号组合电路112将diE/dt控制脉冲与IGBT栅极驱动信号组合并且将其叠加到IGBT栅极驱动信号上。组合的信号被发送给输出缓冲器114用于通过向IGBT栅极施加VGE脉冲(diE/dt控制)驱动IGBT栅极，其在IE/IC下降时在短的持续时间期间打开IGBT 102。取决于栅极驱动信号的输出阻抗特性，可以通过直接连接、通过电阻器网络或者通过逻辑门将diE/dt控制脉冲与栅极驱动信号组合。脉冲信号处理电路110还包括用于响应于启用信号(EN)控制diE/dt控制信号的生成的启用电路136。
图6图示脉冲信号处理电路110、信号组合电路112和输出缓冲器级114的实施例。根据本实施例，实现信号组合功能的电阻器网络140将来自脉冲信号处理电路110的diE/dt控制脉冲与栅极驱动信号组合。组合的信号然后由输出缓冲器级114缓冲并且被发送以驱动IGBT栅极。
图7图示脉冲信号处理电路110和信号组合电路112的数字实施例。图8示出了对应的时序图。根据本实施例，脉冲信号处理电路110包括输入保护电路150、信号放大器152和脉冲生成器154。信号放大器152具有可调节增益A(f)并且其频率特性用于V(diE/dt)信号输入的信号调节。在合适的输入信号动态范围的情况下，可以使用逻辑门缓冲器代替信号放大器152。放大器或栅极缓冲器152的输出用作单稳态多振荡器154的触发信号以生成具有固定的逻辑电平幅度和用户可控的脉冲宽度(持续时间)的diE/dt控制脉冲输出。由于diE/dt控制脉冲的脉冲持续时间(宽度)比VCE过冲周期短，所以单稳态多振荡器154被边缘触发而非电平触发。单稳态多振荡器154的重置功能(RESET)可以用于实现启用功能以便响应于启用控制信号(EN)来选择性地启用或禁止diE/dt控制脉冲的生成。替选地，数字计数器可以用于在被触发时给出脉冲。在又一实施例中，在数字栅极驱动器板内部的嵌入式微控制器(MCU)可以由信号放大器152的输出来触发。MCU运行程序代码以生成短的栅极驱动输出脉冲从而打开输出缓冲器114。在这样的布置中，MCU通过软件来执行单稳态多振荡器154和信号组合电路156的功能而不需要另外的硬件。
实现信号组合功能的逻辑门156将diE/dt控制脉冲与栅极驱动信号组合。这样的逻辑门156可以实现为用于正的逻辑信号的OR门或者用于负的逻辑信号的AND。
由于电路的简化，图7所示的脉冲信号处理电路110和信号组合电路112的组合功能也可以在驱动器IC(集成电路)中或者由微控制器来实现作为现有功能之上的附加特征，例如在具有这样的微控制器的数字IGBT栅极驱动器板中。
在IGBT短路到低阻抗(短路类型I)期间，iE/iC快速地上升至通常为额定集电极电流ICNOM的6倍的非常高的值。通常，栅极驱动器板中的IGBT短路保护功能监测VCE电压以在VCE上升至例如几十伏特的定义值到减饱和区域中时检查减饱和并且确认短路故障情况的状态。因此可以在短路故障通过软关闭或两电平关闭技术被确认时缓慢地减小IGBT栅极电压，并且在短的时刻之后，例如5μs之后关闭IGBT。由于先于关闭的高的短路电流IC，VCE电压过冲在没有被缓解的情况下在关闭之后可以达到危险的电平。通常采用有效钳位技术用于过电压保护以将VCE钳位至定义的最大值。通过一些修改，可以将本文中先前描述的VCE过冲控制技术扩展以在短路关闭期间提供过电压保护。
短路关闭过电压保护的操作原理与本文中先前描述的过冲控制的原理相同，因为脉冲信号处理电路110在短路关闭时立刻生成diE/dt控制脉冲。由于短路关闭期间的非常高的电流，短路过电压保护的diE/dt控制脉冲的宽度比正常操作所需要的更长。通过使用这样的长的diE/dt控制脉冲，在正常操作期间产生了不必要的高的关闭损失EOFF。因此，脉冲信号处理电路110生成短路(SC)diE/dt控制脉冲，其脉冲宽度在由确认短路故障情况的状态(例如来自栅极驱动板中的短路检测功能)的信号SC启用时更长。
通过这一SC diE/dt控制脉冲方法，SC diE/dt控制脉冲在VCE过冲期间在更低的VCE处更早地打开IGBT 102，并且因此比传统的有效钳位方法(其在更晚的阶段并且在更高的过电压下实现IGBT打开)更安全。另外，传统的有效钳位方法通过在VCE过冲达到齐纳钳位电压时立刻打开IGBT(通过有效钳位齐纳二极管传递高的脉冲电流以打开IGBT栅极)来防止VCE过冲超过意图的钳位电压电平。这一电流脉冲导致有效钳位齐纳二极管中的高的瞬时功耗，并且导致诸如DC链路过电压和重复过载或短路等情况下的高的连续的功耗。有效钳位电路中的齐纳二极管在没有被小心地定尺寸的情况下存在过功率故障的风险。另一方面，本文中所描述的diE/dt控制脉冲方法是信号控制方法，其不涉及其自己的任何功耗。另外，diE/dt控制脉冲方法不需要从高压集电极(C)到低压栅极(G)的任何反馈。
图9(a)到9(c)图示图5(a)到5(c)中所示的相应脉冲信号处理电路实施例，其被修改为在附加短路关闭过电压保护的情况下根据V(diE/dt)信号生成同步的diE/dt控制脉冲。与图(a)到5(c)中所示的相应功能相比，提供短路(SC)脉冲生成器160以生成宽度比由主脉冲生成器134在正常操作期间针对过冲减小生成的diE/dt控制脉冲长的SC diE/dt控制脉冲。SC脉冲生成器160通过SC OVP(过电压保护)启用电路162来控制。SC脉冲生成器160与主diE/dt控制脉冲生成器134由相同的信号放大器132来触发，但是在由SC OVP启用电路162启用时(例如在栅极驱动器板中的短路检测功能检测到短路时)仅生成SC diE/dt控制脉冲。SC脉冲生成器160由SC OVP启用电路162在IGBT 102的正常操作期间来禁止。两个脉冲生成器134、160的输出被组合以形成与IGBT栅极驱动器组合的单个diE/dt控制脉冲，如本文中先前描述的。这样，组合的脉冲信号的宽度响应于表示短路故障情况的信号(SC)而增加，使得所得到的脉冲宽度对于正常操作更窄并且对于短路操作更宽。
图10图示实现有短路关闭过电压保护功能的脉冲信号处理电路110、信号组合电路112和输出缓冲器级114的数字实施例。图11示出了对应的时序图。与图7相比，存在额外的单稳态多振荡器(U4)170，其用作用于生成SC diE/dt控制脉冲的SC脉冲生成器。SC脉冲生成器170与主脉冲生成器154通过相同的信号放大器152来触发，并且通过SC信号来启用，例如来自栅极驱动器板短路检测功能。当检测到短路情况时，将SC信号设置为逻辑高状态并且启用SC脉冲生成器170。当IGBT 102在短路之后关闭时，下降的IE给出V(diE/dt)信号以触发SC单稳态多振荡器170，其进而生成脉冲宽度长于由主脉冲生成器154生成的标准diE/dt控制脉冲的SC diE/dt控制脉冲。SC单稳态多振荡器170的输出被发送给信号组合电路156从而在逻辑上与栅极驱动信号和主脉冲生成器154生成的diE/dt控制脉冲求和，并且被发送给输出缓冲器级114用于驱动IGBT 102的栅极。
诸如“第一”、“第二”等术语用于描述各种元素、区域、部分等，而非意图限制。相似的术语遍及本描述指代相似的元素。
如本文中所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等式开放式术语，其表示所指出的元素或特征的存在，但是不排除另外的元素或特征。冠词“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意图包括复数以及单数，除非上下文另外清楚地指出。
应当理解，本文中所描述的各种实施例的特征可以彼此组合，除非另外明确指出。
虽然已经在本文中说明和描述了具体的实施例，然而本领域普通技术人员应当理解，可以用各种替选和/或等同实现来代替所示出和所描述的具体实施例而没有偏离本发明的范围。本申请意图覆盖本文中所讨论的具体实施例的任何适配或变型。因此，意图在于，本发明仅受权利要求及其等同方案的限制。

Claims (21)

1.一种电路，包括：
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，可操作以响应于向所述IGBT的栅极施加的控制信号在开关周期的第一阶段传导电流并且在所述开关周期的第二阶段阻挡电流，其中在所述开关周期的所述第二阶段在所述IGBT的集电极-发射极电压(VCE)中发生过冲；以及
电路装置，可操作以：
生成脉冲，所述脉冲具有与通过所述IGBT的电流在所述开关周期的所述第二阶段开始下降的时刻同步的上升沿以及作为所述VCE过冲的持续时间的一部分的宽度；以及
将所述脉冲与向所述IGBT的栅极施加的所述控制信号组合以针对所述脉冲的持续时间在所述开关周期的所述第二阶段中将所述IGBT的所述栅极电压暂时升高至所述IGBT的门限电压以上。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述IGBT是沟槽栅极IGBT。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述脉冲具有固定的幅度。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述脉冲的宽度是固定的。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述脉冲的宽度是所述IGBT的固有关闭下降时间的函数。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述脉冲的宽度在所述VCE过冲的持续时间的1/2到1/4之间。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路装置包括：
第一电路，可操作以感测所述ITGB的集电极或发射极电流；
第二电路，可操作以输出表示所感测的集电极或发射极电流的时间微分的信号；
第三电路，可操作以响应于由所述第二电路输出的所述信号来生成所述脉冲；以及
第四电路，可操作以组合所述脉冲和所述控制信号。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述第三电路具有用于调节所述脉冲的幅度和持续时间的用户可控的幅度增益和时间常数的变量。
9.根据权利要求7所述的电路，其中所述第三电路可操作以响应于用户输入信号来调节所述脉冲的宽度。
10.根据权利要求7所述的电路，其中所述第四电路可操作以响应于脉冲启用信号被去激活而向所述IGBT传递未与所述脉冲组合的所述控制信号。
11.根据权利要求7所述的电路，其中所述第一电路可操作以通过感测经过在所述IGBT的发射极端子处的杂散发射极电感或者连接至所述发射极端子的分流电阻器中的一项的电流来感测所述IGBT的所述集电极或发射极电流，并且其中所述第二电路可操作以基于所述杂散发射极电感之上的电压、所述分流电阻器之上的电压、在磁性耦合至所述发射极端子的罗氏线圈处感应的电压、或者在磁性耦合至所述发射极端子的电流变压器线圈处感应的电压中的一项来输出表示所感测的集电极或发射极电流的时间微分的所述信号。
12.根据权利要求11所述的电路，其中所述第三电路可操作以在由所述第二电路测量的所述电压在所述开关周期的所述第二阶段开始上升的时刻生成所述脉冲。
13.根据权利要求11所述的电路，其中所述第三电路包括：
保护电路，可操作以针对在短路关闭期间的过高的电压来钳位所述第二电路的输出；
信号放大器，可操作以放大所述保护电路输出；以及
第一脉冲生成器，可操作以响应于所述信号放大器输出的下降/上升沿来触发。
14.根据权利要求13所述的电路，其中所述第三电路还包括第二脉冲生成器，所述第二脉冲生成器由与所述第一脉冲生成器相同的信号放大器来触发并且可操作以生成具有比由所述第一脉冲生成器生成的脉冲更长的宽度的附加脉冲，并且其中所述第二脉冲生成器在所述IGBT的短路保护期间被启用并且在所述IGBT的正常操作期间被禁止。
15.根据权利要求14所述的电路，其中所述第四电路可操作以组合由所述第一脉冲生成器和所述第二脉冲生成器输出的脉冲与所述控制信号。
16.根据权利要求14所述的电路，其中所述第一脉冲生成器和所述第二脉冲生成器每个都包括单稳多谐振荡器。
17.根据权利要求7所述的电路，其中所述第三电路具有输入信号范围，所述输入信号范围在所述IGBT的正常操作期间在所述IGBT的额定集电极电流的0.1到2.0倍的范围内并且在所述IGBT的短路保护期间在所述额定集电极电流的0.1到6.0倍的范围内。
18.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路装置被配置成响应于命令信号指示要禁止所述脉冲来禁止所述脉冲的生成。
19.根据权利要求1所述的电路，其中所述电路装置被配置成响应于指示短路故障情况的信号来增加所述脉冲的宽度使得所述脉冲宽度针对正常操作的更窄并且针对短路操作的更宽。
20.一种用于减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的过冲的方法，所述IGBT可操作以响应于向所述IGBT的栅极施加的控制信号来在开关周期的第一阶段传导电流并且在所述开关周期的第二阶段阻挡电流，在所述开关周期的所述第二阶段中所述IGBT的集电极-发射极电压(VCE)中发生所述过冲，所述方法包括：
生成脉冲，所述脉冲具有与通过所述IGBT的电流在所述开关周期的所述第二阶段开始下降的时刻同步的上升沿以及作为所述VCE过冲的持续时间的一部分的宽度；以及
将所述脉冲与向所述IGBT的栅极施加的所述控制信号组合以针对所述脉冲的持续时间在所述开关周期的所述第二阶段中将所述IGBT的所述栅极电压暂时升高至所述IGBT的门限电压以上。
21.一种用于减小绝缘栅双极型晶体管(IGBT)中的集电极-发射极电压(VCE)过冲的电路，所述电路包括可操作以进行以下操作的电路装置：
生成脉冲，所述脉冲具有与所述IGBT的集电极或发射极电流在所述IGBT的关闭期间开始下降的时刻同步的上升沿以及作为所述VCE过冲的持续时间的一部分的宽度；以及
将所述脉冲与向所述IGBT的栅极施加的控制信号组合以针对所述脉冲的持续时间在所述开关周期的所述第二阶段中将所述IGBT的所述栅极电压暂时升高至所述IGBT的门限电压以上。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108633118A (zh) * 2017-03-16 2018-10-09 英飞凌科技股份有限公司 操作晶体管的方法、包括保护驱动器的电路和集成电路
CN109983699A (zh) * 2016-11-29 2019-07-05 三菱电机株式会社 栅极驱动电路
CN110707665A (zh) * 2019-09-10 2020-01-17 西安工程大学 基于瞬时功率损耗保护中高压igbt模块短路的方法
CN111697957A (zh) * 2020-06-17 2020-09-22 上海电气集团股份有限公司 一种应用于绝缘栅双极型晶体管igbt的驱动电路
CN115291660A (zh) * 2022-06-20 2022-11-04 西安电子科技大学 低压差线性稳压器过冲抑制电路及其驱动方法

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10473710B2 (en) * 2015-10-29 2019-11-12 Avago Technologies International Sales Pte. Limited Desaturation detection circuit and desaturation circuit monitoring function
US9838002B2 (en) * 2016-04-19 2017-12-05 Ford Global Technologies, Llc IGBT gate drive during turnoff to reduce switching loss
DE102016212211B4 (de) * 2016-07-05 2019-02-21 Siemens Aktiengesellschaft Kurzschlusserkennung
GB201620104D0 (en) * 2016-11-28 2017-01-11 Powerventure Semiconductor Ltd A system and method of driving a switch circuit
CN106803754B (zh) * 2017-02-17 2023-05-23 广东明阳龙源电力电子有限公司 一种用于门极保护的栅极保护板
US11115019B2 (en) 2018-03-09 2021-09-07 Ford Global Technologies, Llc Dynamic short circuit protection
EP3547538B1 (en) * 2018-03-26 2021-08-11 Mitsubishi Electric R & D Centre Europe B.V. A device and a method for controlling the switching of at least a first power semiconductor switch
CN112119557B (zh) * 2018-05-23 2022-08-23 三菱电机株式会社 电力用半导体元件的保护电路以及功率模块
US10461732B1 (en) * 2018-06-18 2019-10-29 Infineon Technologies Austria Ag System and method of driving a power switch in combination with regulated DI/DT and/or DV/DT
CN109495941A (zh) * 2018-11-15 2019-03-19 广东电网有限责任公司 一种4g-lte无线网络信号的切换系统
CN109547001A (zh) * 2018-12-27 2019-03-29 深圳市英威腾电动汽车驱动技术有限公司 绝缘栅双极型晶体管的过流保护电路
CN111864701B (zh) * 2020-07-27 2023-03-21 深圳青铜剑技术有限公司 用于igbt短路保护的基准电压产生电路及方法
CN112636567B (zh) * 2020-12-11 2022-04-22 深圳市英威腾电气股份有限公司 一种igbt均压电路及变频器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101154880A (zh) * 2006-09-25 2008-04-02 三菱电机株式会社 抑制浪涌电压的半导体器件
US20100059028A1 (en) * 2008-08-11 2010-03-11 Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. Semiconductor device and internal combustion engine ignition device
CN103545802A (zh) * 2013-11-01 2014-01-29 山东大学（威海） 一种新型igbt有源钳位保护电路
US9007102B2 (en) * 2013-06-20 2015-04-14 Abb Research Ltd. Active gate drive circuit

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10215363A1 (de) 2002-04-08 2003-10-30 Eupec Gmbh & Co Kg Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines Halbleiterschalters

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101154880A (zh) * 2006-09-25 2008-04-02 三菱电机株式会社 抑制浪涌电压的半导体器件
US20100059028A1 (en) * 2008-08-11 2010-03-11 Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. Semiconductor device and internal combustion engine ignition device
US9007102B2 (en) * 2013-06-20 2015-04-14 Abb Research Ltd. Active gate drive circuit
CN103545802A (zh) * 2013-11-01 2014-01-29 山东大学（威海） 一种新型igbt有源钳位保护电路

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109983699A (zh) * 2016-11-29 2019-07-05 三菱电机株式会社 栅极驱动电路
CN109983699B (zh) * 2016-11-29 2023-07-14 三菱电机株式会社 栅极驱动电路
CN108633118A (zh) * 2017-03-16 2018-10-09 英飞凌科技股份有限公司 操作晶体管的方法、包括保护驱动器的电路和集成电路
CN108633118B (zh) * 2017-03-16 2021-05-11 英飞凌科技股份有限公司 操作晶体管的方法、包括保护驱动器的电路和集成电路
CN110707665A (zh) * 2019-09-10 2020-01-17 西安工程大学 基于瞬时功率损耗保护中高压igbt模块短路的方法
CN110707665B (zh) * 2019-09-10 2021-06-22 西安工程大学 基于瞬时功率损耗保护中高压igbt模块短路的方法
CN111697957A (zh) * 2020-06-17 2020-09-22 上海电气集团股份有限公司 一种应用于绝缘栅双极型晶体管igbt的驱动电路
CN111697957B (zh) * 2020-06-17 2024-03-12 上海电气集团股份有限公司 一种应用于绝缘栅双极型晶体管igbt的驱动电路
CN115291660A (zh) * 2022-06-20 2022-11-04 西安电子科技大学 低压差线性稳压器过冲抑制电路及其驱动方法

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