CN106357256A - 栅极驱动器的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种驱动半导体开关元件的栅极驱动器的驱动装置，其包括：栅极驱动器单元，其用于输出控制信号到所述半导体开关元件；以及控制单元，其用于通过操作配置所述栅极驱动器单元的至少一个栅极驱动器来控制所述半导体开关元件的操作，其中，所述控制单元基于所述半导体开关元件的预设操作范围和所述半导体开关元件的检测到的操作状态来操作所述至少一个栅极驱动器。

Description

栅极驱动器的驱动装置
技术领域
本公开内容涉及一种半导体开关元件的控制装置，且更具体地涉及一种当操作向其施加几千伏特电压的绝缘栅双极晶体管(IGBT)型开关(例如用于各种工业应用的电机、逆变器或转换器)时检测开关元件的操作状态且当检测到操作状态驱动该开关元件时操作至少一个栅极驱动器的控制装置。
背景技术
通常，用于工业应用的IGBT型开关元件可以基于特性(例如接通延迟时间、断开延迟时间、在25到100摄氏度(℃)的温度范围内在集电极端子处流动的电流量等)来分类。此外，用于工业应用的IGBT型开关元件的最流行VCE处于600伏特到1200伏特的电压范围，且存在使用3300伏特的VCE的趋势。
即，当IGBT型开关元件用在工业设备(例如电机、逆变器或转换器)中时，开关元件的集电极端子及其发射极端子之间的电压达到几千伏特。此外，在集电极端子处流动的电流量可以达到几百安培(A)。
图1示出典型半导体开关元件的控制装置。
这里，用户向接口(未示出)输入用于操作开关元件的控制指令，且该接口对输入信息进行编码。此后，编码控制信号通过光信号被发送到用于控制开关元件的控制单元120。此时，在光信号中包含的编码控制信号通过光隔离器110被转换成电信号。包含控制信息的光信号被转换成电信号，使得可以减小不必要电气噪声或者两个系统之间的短路可能性。
经转换的电气信号被发送到控制单元120，且控制单元120可以实现用于对编码信号进行解码以基于解码信号来生成控制信号的逻辑电路。并且，基于解码信号的控制信号可以被输出到栅极驱动器130。栅极驱动器130基于接收到的输入信号而将信号(电流)发送到开关元件140的栅极端子，以激活开关元件140的开关操作。
然而，存在问题：在开关元件的集电极端子处流动的用于开始接通和断开操作的电流(IC)根据具有这种IGBT型开关元件的集电极端子和发射极端子的更宽电压范围的电压VCE而改变。此外，IGBT型开关元件的开关操作受其内部电阻器和电容器的性质的影响，并且相同的IGBT型开关元件可以根据他们被设置的环境(温度)而具有彼此不同的性能。
发明内容
因此，为了解决上述问题，本公开内容在于提供一种栅极驱动器的驱动装置，其包括多个栅极驱动器，其当高电压被施加于半导体开关元件时输出与高电压对应的栅极信号。
此外，本公开内容在于给用户提供施加于半导体开关元件的电压、输入或输出的电流量或者半导体开关元件的温度信息和执行这种信息被反映到的开关操作的电路。
根据本公开内容的实施例，一种驱动半导体开关元件的栅极驱动器的驱动装置包括：栅极驱动器单元，其被配置为输出控制信号到所述半导体开关元件；以及控制单元，其被配置为通过操作配置所述栅极驱动器单元的至少一个栅极驱动器来控制所述半导体开关元件的操作，其中，所述控制单元可以基于所述半导体开关元件的预设操作范围和所述半导体开关元件的检测到的操作状态来操作所述至少一个栅极驱动器。
此时，半导体开关元件可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)型开关元件。
此外，根据本公开内容的栅极驱动器的驱动装置还包括连接到所述控制单元的接口，其中，所述接口可以接收关于所述半导体开关元件的操作的输入信息或者可以根据接收到的输入信息给用户提供所述半导体开关元件的操作状态。
此时，所述接口可以接收要施加到所述半导体开关元件的电压、所述栅极驱动器的产品信息、所述半导体开关元件的产品信息、连接到栅极驱动器的驱动装置的半导体开关装置的数量、电力转换所需要的半导体开关元件的开关频率以及所述半导体开关元件的栅极端子的特定电阻中的至少一个信息。
此时，还包括连接到所述控制单元的测量单元，其中，所述测量单元可以测量被施加到所述半导体开关元件的电压、输入到所述半导体开关元件的电流或者从所述半导体开关元件输出的电流、以及所述半导体开关元件的温度，且可以向所述控制单元或所述接口提供测量信息中的至少一个。
此时，所述控制单元可以基于关于所述半导体开关元件的操作的并且由用户输入的编程来生成逻辑配置数据，或者可以根据所生成的逻辑配置数据来实现特定逻辑电路。
此时，还包括连接到所述控制单元的绝缘单元，其中，所述绝缘单元可以阻止直流或交流在所述控制单元和所述栅极驱动器单元之间的流动，且可以将从所述控制单元输出的控制信号递送到所述栅极驱动器单元。
此时，配置栅极驱动器单元的栅极驱动器中的全部或一些可以通过公共输出端子将控制信号输出到半导体开关元件。
此时，所述控制单元可以控制所述栅极驱动器中的全部或一些的组合，以完成从其组合输出的信号的总和作为所述半导体开关元件的所述栅极端子的输入信号。
此时，栅极驱动器单元的栅极驱动器中每一个可以经由所述绝缘单元从所述控制单元接收多个信号以通过所述多个信号的组合输出输出信号。
此时，栅极驱动器单元的栅极驱动器中每一个可以具有相同性能或相同特性。
此时，还包括连接到所述半导体开关元件的钳位二极管，其中，所述钳位二极管可以连接到半导体开关元件的栅极端子，以使施加到其的电压能够维持恒定。
此时，还包括连接到所述栅极驱动器单元的直流(DC)/DC转换器，其中，所述DC/DC转换器可以从外部电源接收电力以将所述电力输出到与所述半导体开关元件的操作有关的模块中的每一个。
根据本公开内容，提供了其中多个栅极驱动器被包括以操作半导体开关元件使得当高电压被施加到其时与高电压对应的栅极信号被输出到半导体开关元件的效果。
此外，根据本公开内容，被施加于半导体开关元件的电压、输入或者输出的电流量和半导体开关元件的温度信息被测量，使得有效执行这种测量信息被反映到的开关操作。
附图说明
图1是示出典型绝缘栅双极晶体管(IGBT)型栅极驱动器控制装置的示意图。
图2是根据本公开内容的实施例的半导体开关元件的栅极驱动器的驱动装置200的示意图。
图3是根据本公开内容的实施例的接口290的第一操作的示意图。
图4是根据本公开内容的实施例的接口290的第二操作的示意图。
图5是根据本公开内容的实施例的包括栅极驱动装置的功率半导体模块的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本文所公开的实施例，且不管给出参考符号如何，相同或类似组件指代相同参考符号，且将省略其重复描述。
此外，将参考附图更详细描述与本公开内容有关的半导体型开关元件的栅极驱动器的驱动装置。在下面描述中，关于组件的术语“模块”和“单元”仅通过考虑描述本公开内容的舒适而给出，且这些术语自身不表示特定含义或功能。因此，应当理解的是，可以交换地使用术语“模块”和“单元”。
在下文中，将参考附图详细描述根据本公开内容的优选实施例。
图2示出根据本公开内容的包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)型栅极驱动器的驱动装置200的功率半导体模块20。
根据本公开内容的栅极驱动器的驱动装置200可以包括用于输出控制信号到半导体开关元件300的栅极驱动器单元250和用于检测开关元件300的操作状态且基于检测到的操作状态来驱动配置栅极驱动器单元250的至少一个驱动器以控制开关元件300的开关操作的控制单元220。
作为本公开内容的一个实施例，控制单元220可以基于开关元件的预定操作范围和检测到的操作状态来驱动至少一个栅极驱动器。
控制单元220可以通过接口290从用户接收开关元件300的操作信息，且向用户提供开关元件300的操作状态。
接口290用作连接到用户的端子的所有外部装置的通道。用户可以输入用户想要通过接口290发送到栅极驱动器的驱动装置200的信息。
即，接口290可以通过将用户的端子和栅极驱动器的驱动装置200彼此连接的电路来实现。
可替换地，接口290可以通过键盘、弹片开关、触摸板、滚轮、开关中的一个实现为栅极驱动器的驱动装置200的一部分。此外，用户可以在不使用端子的情况下通过接口290将信息直接输入到栅极驱动器的驱动装置200。
在前者情况或者后者情况中，用户可以通过通过接口290直接输入数据信息或者通过触摸键盘等来将关于开关元件300的控制信号的频率、关于开关元件300的控制信号的波长或者与关于开关元件300的正半波长分量的开始时间或结束时间有关的信息发送到控制单元220。
控制单元220输出逻辑配置数据，其反映通过预设编程由用户输入的信息。此后，为了根据逻辑配置数据实现特定逻辑电路，可以组合软件实现和硬件实现。
利用软件实现，本文中要描述的诸如程序和功能之类的实施例可以由单独软件模块来实现。
软件模块中的每一个可以执行本文中要描述的一个或者多个功能和操作。软件代码可以通过以适当编程语言写成的软件应用实现。软件代码可以存储在存储器(未示出)中，且可以由控制单元220执行。
利用硬件实现，控制单元220包括专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器和用于执行其它功能的电气单元中的至少一个。
通过这种组合配置，控制单元220从用户接收关于开关元件300的信息、配置栅极驱动器单元250的栅极驱动器的信息以及施加于开关元件300的电压或开关频率等用户想要的信息。此后，控制单元220可以配置用于执行开关元件300的开关操作的特定逻辑电路或者可以向栅极驱动器单元250发送操作信息。
作为本公开内容的一个实施例，控制单元220可以计算与由开关元件300所需要的栅极电流信号的最小振幅或者用于驱动开关元件300所需要的栅极驱动器的数量有关的信息，且通过接口290向用户提供信息。
根据本公开内容的测量单元240测量被施加到半导体开关元件300的电压、输入到半导体开关元件300的集电极端子或在其发射极端子处流动的电流量以及在半导体开关元件300处测量的温度中的至少一个。此后，测量结果可以被发送到控制单元220或接口290。
作为本公开内容的一个实施例，用户可以通过发送的信息来更新之前输入的、与控制信号的频率、控制信号的波长或者控制信号的正半波长分量的开始时间或结束时间有关的信息，以通过接口290将其提供给控制单元220。
控制单元220可以掌握由测量单元240测量的信息和由用户估计的输出之间的误差以计算用于减小该误差到最小值的输入数据。
计算出的误差或计算出的输入数据可以提供给用户。控制单元220可以重新配置用于减小误差的特定逻辑电路或者将更新的操作信息发送到栅极驱动器单元250。
利用这种操作，存在其中实际开关装置的内部/外部特性可以被反映到输入到开关元件300的栅极信号的效果，由此准确实现用户想要的开关元件300的开关操作。
典型栅极驱动装置通过栅极驱动器单向地驱动连接到其的开关元件。然而，控制单元220可以通过从测量单元240提供的信息实时准确控制开关元件300的操作。
在控制单元220和接口290之间布置的光隔离器210阻止被施加到栅极驱动器的驱动装置200和接口290的电路系统中的每一个的直流和不必要的交流的流动。因此，存在其中可以没有噪声递送在控制单元220和接口290之间发送和接收信息的效果。
参照图3和图4，将描述接口290从用户具体接收什么信息且此外它向用户显示什么信息和什么方式。
控制单元220电连接到栅极驱动器单元250。
作为本公开内容的一个实施例，控制单元220接收被施加到开关元件300的电压和关于栅极驱动器单元250的信息。然而，可以计算开关元件300的开关所需的栅极驱动器的数量或者供应给开关元件300的栅极端子的电流量。
配置栅极驱动单元250的多个栅极驱动器集成电路(IC)接收从控制单元220输出的信号。此时，从控制单元220输出的信号可以通过数字隔离器230。
数字隔离器230可以阻止被施加到控制单元220和栅极驱动单元250的电路系统中的每一个的直流和不必要的交流的流动，且可以防止其中电路系统中的每一个被接地以发生短路的危险。
控制单元220和短路保护电路单元260彼此电连接，且短路保护电路单元260可以识别在IGBT开关元件处流动的过电流，以将识别出的信息发送到控制单元220。
控制单元220可以确定过电流是否为预定的最大允许电流(短路电流)，且然后发送与其对应的控制信号，由此保护开关元件300免于短路电流。
栅极驱动器单元250的输出端子连接到IGBT开关元件300的栅极端子，使得开关元件300可以基于输出控制信号来执行接通或断开操作。
这里，栅极驱动单元250可以包括多个栅极驱动器IC，且可以提供用于控制开关元件300的开关操作的电流量。
例如，当单个栅极驱动器用在几千伏特被施加到的半导体开关元件中时，可以发生可能输出到半导体开关元件的电流量未达到其控制所需的电流量。
另一方面，当栅极驱动器单元250根据本公开内容而配置有多个栅极驱动器IC时，从多个栅极驱动器IC中的全部或一些输出的电流量(栅极信号)可以灵活组合以输出用于开关元件300的操作的电流量。因此，即使使用典型小型栅极驱动器，可以控制几百到几千伏特被施加到的用于工业应用的各种半导体装置。
栅极驱动器单元250可以被配置有具有相同类型的n个栅极驱动器。在这种配置的效果中，当接收输入信息(例如开关元件300的所施加的电压、其产品的数量或者其总数)时，控制单元220可以操作输出开关装置300的栅极端子所需的供应电流量所要的m个栅极驱动器。
此外，栅极驱动器的驱动装置200可以包括直流(DC)/DC转换器280，其生成每个模块(例如控制单元220、数字隔离器230、测量单元240、栅极驱动器单元250等)所需的电力。
换言之，DC/DC转换器280可以从单个外部电源接收电力，以输出供应给与开关元件300的操作有关的每个模块的多个电力。
此外，作为本公开内容的一个实施例，栅极驱动器的驱动装置200还可以包括钳位二极管270。该钳位二极管270可以包括用于将半导体型开关元件300的集电极连接到其栅极的VCG钳位二极管271和用于将半导体型开关元件300的栅极连接到其发射极的VGE钳位二极管272。
钳位二极管270可以连接到开关元件300的栅极端子，以使施加到开关元件300的电压能够维持恒定。
图3示出根据本公开内容的栅极驱动器的驱动装置200的第一操作。
作为本公开内容的一个示例，控制单元220可以通过接口290从用户接收用于操作开关元件300的输入信息。
换言之，接口290可以接收要施加到开关元件300的电压310、在栅极驱动器的驱动装置200处安装的栅极驱动器的产品信息320、开关元件300的产品数量330、连接到栅极驱动器的驱动装置200的开关元件300的数量340、电力转换所需的开关元件300的开关频率350以及具有开关元件300的栅极的特定电阻360的至少一个信息。
如查看图2，信息可以被用作用于通过控制单元220有效控制开关元件300的输入信息。
图4是示出根据本公开内容的实施例的栅极驱动器的驱动装置200的第二操作的示意图。
作为本公开内容的一个示例，控制单元220可以将基于由用户输入的信息来计算的或者检测到的信息通过接口290提供给用户。
作为本公开内容的一个示例，基于图3中示出的用户的输入信息，控制单元220可以显示可操作栅极驱动器通道410、施加到开关元件300的电压420、用于执行由用户所要的开关操作的开关元件300的栅极端子所需要的电流量、开关元件300的操作所需要的栅极驱动器单元250的栅极驱动器的数量以及通过接口290在开关元件300处测量的电荷量中的至少一个信息。
图5示出根据本公开内容的另一个实施例的包括栅极驱动器的驱动装置的功率半导体模块。
这里，配置从模块单元540的多个从模块541,542,543,544,545和546中的每一个可以包括图2中示出的栅极驱动器的驱动装置200和半导体型开关元件300。此外，多个从模块541,542,543,544,545和546可以由主模块510控制。
作为本公开内容的一个实施例，主模块510可以包括具有与图2中示出的接口290的那些类型的结构和功能的接口511、与图2的光隔离器类似的光隔离器512以及服务图2的控制单元220的功能的现场可编程门阵列(FPGA)控制逻辑513。
FPGA控制逻辑513可以基于通过接口511输入的信息来生成逻辑配置数据或者根据生成的数据来实现特定电路。输入信息可以包括与多个从模块541,542,543,544,545和546中的全部或一些有关的信息。
作为本公开内容的一个实施例，用户可以通过在主模块510中包括的接口511输入信息，以操作多个从模块541,542,543,544,545和546中的全部或一些。
这里，通过光隔离器512在接口511和FPGA控制逻辑513之间的通信方法可以与图2中示出的在接口290和控制单元220之间的那个类似。
在输入通过接口511提供的输入信息之后，FPGA控制逻辑513可以向用户提供与选定驱动驱动器有关的输出信息或者驱动选定模块。
这里，FPGA控制逻辑513直接驱动选定驱动装置或者向选定驱动电路中的控制单元(未示出)提供从用户提供的输入信息以间接驱动选定模块。
因此，它可以减小用户一个接一个控制多个从模块541,542,543,544,545和546的不便性，由此提供其中提高控制效率的效果。
本公开内容包括多个栅极驱动器，以操作半导体开关元件，使得它可以提供其中当高电压被施加到其时与高电压对应的栅极信号被输出到半导体开关元件的效果。
此外，通过测量施加到半导体开关元件的电压、输入或者输出的电流量和半导体开关元件的温度信息，可以有效执行这种测量信息被反映到的开关操作。

Claims (10)

1.一种驱动半导体开关元件的栅极驱动器的驱动装置，包括：
栅极驱动器单元，其被配置为输出控制信号到所述半导体开关元件；以及
控制单元，其被配置为通过操作配置所述栅极驱动器单元的至少一个栅极驱动器来控制所述半导体开关元件的操作，
其中，所述控制单元基于所述半导体开关元件的预设操作范围和所述半导体开关元件的检测到的操作状态来操作所述至少一个栅极驱动器。
2.根据权利要求1所述的驱动装置，还包括：
连接到所述控制单元的接口，
其中，所述接口接收关于所述半导体开关元件的操作的输入信息或者根据接收到的输入信息给用户提供所述半导体开关元件的操作状态。
3.根据权利要求2所述的驱动装置，其中，所述接口接收要施加到所述半导体开关元件的电压、所述栅极驱动器的产品信息、所述半导体开关元件的产品信息、连接到栅极驱动器的驱动装置的半导体开关装置的数量、电力转换所需的半导体开关元件的开关频率以及所述半导体开关元件的栅极端子的特定电阻中的至少一个信息。
4.根据权利要求2所述的驱动装置，还包括：
连接到所述控制单元的测量单元，
其中，所述测量单元测量被施加到所述半导体开关元件的电压、输入到所述半导体开关元件的电流或者从所述半导体开关元件输出的电流、以及所述半导体开关元件的温度，且向所述控制单元或所述接口提供测量信息中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的驱动装置，其中，所述控制单元基于关于所述半导体开关元件的操作的并且由用户输入的编程来生成逻辑配置数据，或者根据所生成的逻辑配置数据来实现特定逻辑电路。
6.根据权利要求1所述的驱动装置，还包括：
连接到所述控制单元的绝缘单元，
其中，所述绝缘单元阻止直流或交流在所述控制单元和所述栅极驱动器单元之间的流动，且将从所述控制单元输出的控制信号递送到所述栅极驱动器单元。
7.根据权利要求1所述的驱动装置，其中，所述控制单元控制所述栅极驱动器中的全部或一些的组合，以使得从其组合输出的信号的总和作为所述半导体开关元件的所述栅极端子的输入信号。
8.根据权利要求6所述的驱动装置，其中，配置所述栅极驱动器单元的栅极驱动器中的全部或一些经由所述绝缘单元从所述控制单元接收多个信号以通过所述多个信号的组合输出输出信号。
9.根据权利要求1所述的驱动装置，还包括：
连接到所述半导体开关元件的钳位二极管，
其中，所述钳位二极管连接到半导体开关元件的栅极端子，以使施加到所述半导体开关元件的电压能够维持恒定。
10.根据权利要求1所述的驱动装置，还包括：
连接到所述栅极驱动器单元的直流DC/DC转换器，
其中，所述DC/DC转换器从外部电源接收电力以将所述电力输出到与所述半导体开关元件的操作有关的模块中的每一个。
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