CN107769528A - 栅极驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种栅极驱动装置。所述栅极驱动装置配置成将具有负值的电压稳定地提供至包括基于碳化硅的场效应晶体管的开关的栅极，所述栅极需要具有负值的负电压以便实施稳定的关断状态。栅极驱动装置包括负电压施加电路，所述负电压施加电路包含齐纳二极管和与齐纳二极管并联连接的电容，其中，齐纳二极管可以具有连接到脉冲变压器的二次线圈的阴极和连接到开关的栅极的阳极。

Description

栅极驱动装置
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动装置。更具体地，本发明涉及这样一种栅极驱动装置，其配置成将具有负值的电压稳定地提供至例如基于SiC(碳化硅)的FET(场效应晶体管)的开关的栅极，所述栅极需要具有负值的负电压以便实施稳定的关断状态。
背景技术
随着全世界环境污染问题增多，已经对通过电机将电能转换成驱动力的环保型车辆，而不是常规的发动机驱动车辆进行了积极的研究，所述常规的发动机驱动车辆燃烧化石燃料，从而伴随着大量的空气污染物的排放。
设计成通过使用电机来产生驱动力的环保型车辆设置有电力转换装置(比如，换流器)，以便将DC电压转换为将被供应至电机的三相AC电压。在电力转换装置中，使用例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或FET(场效应晶体管)的电力半导体元件。
例如IGBT和FET的电力半导体元件主要通过基于硅的半导体工艺来进行制造。然而，近年来，SiC(碳化硅)作为新的半导体器件材料已引起关注，因为其可以保证在高电压和高温下的稳定操作。
SiC即使在高温下也能够保持半导体性能，这是因为其能量带隙是硅的三倍宽。此外，由于其具有比硅的击穿场高10倍的击穿场，所以SiC即使在高电压下也能够稳定地工作。此外，SiC由于其高导热性(其导热性大约是硅的三倍)而在冷却方面是非常有利的。
然而，由于基于SiC的电力半导体元件具有低阈值电压，因此必须向晶体管施加具有负值的栅极电压，以便使晶体管关断。因此，已经提出了这样的栅极驱动装置，其用于驱动基于SiC的电力半导体以输出正电压和负电压两者，从而利用基于SiC的电力半导体。
用于驱动基于SiC的电力半导体的传统的栅极驱动装置利用昂贵的隔离IC来产生正电压和负电压两者，并且另外需要用于向隔离IC提供电源的小变压器。
因此，传统的栅极驱动装置需要隔离的IC和设计成向IC提供电源的变压器，以利用基于SiC的电力半导体，导致需要用于制造电力转换器装置的额外成本。另外，即使当用于驱动栅极的信号受阻时，附加电源也能够使电力保留在隔离IC中，从而导致基于SiC的电力半导体的栅极出现故障。
公开于本发明的背景部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面涉及提供这样一种栅极驱动装置，其配置成将具有负值的电压稳定地提供至例如基于SiC(碳化硅)的FET(场效应晶体管)的开关的栅极，所述栅极需要具有负值的负电压以便实施稳定的关断状态。
为了实现上述目标，根据本发明的一个方面，提供了一种用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其包括负电压施加电路，所述负电压施加电路包含齐纳二极管和与齐纳二极管并联连接的电容，其中，齐纳二极管具有连接到脉冲变压器的二次线圈的阴极和连接到开关的栅极的阳极。
在本发明的一个示例性实施方案中，将脉冲信号提供至二次线圈的相对端子，所述栅极驱动装置进一步包括路径生成电路，所述路径生成电路配置成：当将脉冲信号的正(+)电压施加至负电压施加电路所连接到的二次线圈的端子时，所述路径生成电路用于在负电压施加电路与二次线圈之间形成电路径；当将脉冲信号的负(-)电压施加至负电压施加电路所施加至的二次线圈的端子时，所述路径生成电路用于在负电压施加电路和二次线圈之间切断电路径。
在本发明的另一个示例性实施方案中，所述路径生成电路具有这样的结构：当将PWM脉冲信号的负电压施加至负电压应用电路所连接到的二次线圈时，齐纳二极管的阳极电连接到开关的栅极，并且齐纳二极管的阴极连接到开关的漏极或发射极。
在本发明的另一个示例性实施方案中，所述路径生成电路包括开关元件和二极管，所述开关元件在施加至负电压施加电路所连接到的二次线圈的端子的电压的控制下接通/关断；所述二极管具有连接到二次线圈的端子的阳极和连接到齐纳二极管的阴极的阴极；并且其中，通过所述开关元件的接通/关断状态来确定二极管的阴极与二次线圈的另一个端子之间的电连接或断开电连接。
在本发明的另一个示例性实施方案中，脉冲变压器包括一次线圈和多个二次线圈，所述一次线圈设计成接收用于操作开关的PWM信号，多个二次线圈用于将一次线圈的电压进行变压并输出，并且负电压施加电路和开关在数量上为多个，从而多个负电压施加电路和多个开关分别连接到多个二次线圈。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其包括：路径生成电路，其配置成根据二次线圈的PWM脉冲的电压来改变电路径，所述二次线圈的PWM脉冲的电压在正电压和负电压之间交替；以及负电压施加电路，其配置成通过由路径生成电路形成的第一电路径而以恒定电压进行充电，并且配置成将通过由路径生成电路形成的第二电路径充电的恒定电压施加为在开关的栅极与漏极之间的负电压，或者施加为在开关的栅极与发射极之间的负电压。
在本发明的一个示例性实施方案中，所述负电压施加电路包括齐纳二极管和与齐纳二极管并联连接的电容，其中，所述齐纳二极管具有连接到路径生成电路的阴极和连接到开关的栅极的阳极。
在本发明的另一个示例性实施方案中，所述路径生成电路包括开关元件，所述开关元件在脉冲信号的电压的控制下接通/关断，并且其中，当所述开关元件关断时，在负电压施加电路与开关的栅极以及输入端子之间形成第一电路径，而当所述开关元件接通时，负电压施加电路和开关的栅极二者与输入端子断开电连接，同时在负电压施加电路和开关的栅极之间形成第二电路径。
根据本发明的另一个方面，提供了一种栅极驱动装置，其包括：脉冲变压器，其包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈接收用于驱动开关的栅极的PWM信号，与一次线圈电磁式地连接的二次线圈用于PWM信号的电压进行变压和传输；路径生成电路，其包括二极管和开关元件，所述二极管具有连接到二次线圈的一个端子的阳极，所述开关元件配置成根据PWM脉冲信号的电压使二极管的阴极与二次线圈的另一端子之间进行电连接或断开电连接；以及负电压施加电路，其包括：齐纳二极管和电容，所述齐纳二极管具有连接到二极管的阴极的阳极，所述电容与齐纳二极管并联连接；其中，开关的栅极电连接至齐纳二极管的阴极，而开关的漏极或发射极连接到二次线圈的另一端子。
在本发明的一个示例性实施方案中，所述脉冲变压器设置有多个二次线圈，并且负电压施加电路和开关在数量上为多个，从而多个负电压施加电路和多个开关分别连接到多个二次线圈。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方案中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方案中进行详细陈述，这些附图和具体实施方案共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1为根据本发明的示例性实施方案的栅极驱动装置的电路图。
图2至图4为根据本发明的示例性实施方案的来自栅极驱动装置的每个节点的电压的波形图。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而是图示性地简化呈现各种特征以显示本发明的基本原理。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些附图中，在贯穿附图的多幅图形中，附图标记指代本发明的相同或等效的部分。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的示例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，应当理解本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等同形式及其它实施方案。
下面将参考所附附图对本发明的示例性实施方案进行具体描述。
图1为根据本发明的示例性实施方案的栅极驱动装置的电路图。
参照图1，根据本发明的示例性实施方案的栅极驱动装置可以包括：控制器11、放大器21、脉冲变压器13以及各种电路单元151、152、171和172，其中，所述控制器11用于产生较小PWM信号以控制开关SW1和SW2的栅极，所述放大器21用于放大PWM信号的电压，所述脉冲变压器13用于将通过放大器21放大的PWM信号的电压变化并传输，所述各种电路单元151、152、171和172基于在所述脉冲变压器13中转换的信号来产生要施加至开关SW1和SW2的栅极的栅极驱动信号。
控制器11执行用于操作开关SW1和SW2的各种确定，并且产生用于驱动开关SW1和SW2的栅极的PWM信号。例如，当开关SW1和SW2为在换流器中使用以用于为电机提供电力的电力半导体元件FET时，所述控制器11确定对应于电机的目标扭矩的目标电流，并且将目标电流与供应至换流器的每相的电流进行比较，以便产生用于驱动开关SW1和SW2的栅极的PWM信号，所述PWM信号具有允许电流的输出对应于目标电流的占空比。
此处，术语“控制器11”用作这样的概念，其包含至少一个处理器以及用于存储由所述处理器处理的结果的至少一个存储器，但是术语“控制器11”不应当解释为意指执行如上所述的所有确定和控制的一个物理处理器。
通过控制器11产生的PWM信号较小，因此其电压(振幅)可以通过放大器21来进行放大。由于放大器21在其后端设置有脉冲变压器13，用作开关SW1和SW2与控制器11之间的绝缘件，因此放大器可以为以低成本获得的非隔离型电压放大器。
脉冲变压器13包括一次线圈和二次线圈，所述一次线圈用于输入来自放大器21的经放大的PWM信号，所述二次线圈用于将输入到一次线圈的PWM信号的电压进行变压和输出。即，一次线圈与二次线圈形成电磁式组合关系，并且输入至一次线圈的PWM信号在根据一次线圈与二次线圈之间的匝数比而进行变压后传输到二次线圈。
在本发明的各个示例性实施方案中，二次线圈可以在数量上为多个，所述二次线圈与一次线圈电磁式地组合以便将一次线圈的电压进行变压和输出。多个二次线圈可以设置有各自的电路以及开关SW1和SW2。
在本发明的各个示例性实施方案中，可以设置多个二次线圈，从而一个PWM信号可以用作驱动多个开关SW1和SW2的栅极。
在本发明的各个示例性实施方案中，可以在脉冲变压器13的二次线圈的后方与开关SW1和SW2的每个之间设置路径生成电路和负电压施加电路。
路径生成电路151和152配置成根据二次线圈的PWM脉冲的电压来改变电路径，所述二次线圈的PWM脉冲的电压在正电压(+)和负电压(-)之间交替。例如，当从脉冲变压器13的二次线圈输出的PWM脉冲可以具有正值时，二次线圈、负电压施加电路171和172以及开关SW1和SW2的栅极端子进行电连接以便形成一个环路或网(mesh)，从而生成电路径P1。另一方面，当从脉冲变压器13的二次线圈输出的PWM脉冲可以具有负值时，仅在负电压施加电路171和172与开关SW1和SW2的栅极端子之间形成电环路，以便产生电路径P2。
更具体而言，路径生成电路151和152可以包括开关元件S1和二极管D1，所述开关元件S1在施加至脉冲变压器13的二次线圈的第一端部的电压的控制下接通/关断，所述二极管D1可以具有连接到二次线圈的第一端部的阳极。随着开关元件S1被可控地接通/关断，可以使得在二极管D1的阴极和二次线圈的第二端部之间进行电连接或断开电连接。
此外，负电压施加电路171和172可以包括齐纳二极管Z1和与齐纳二极管Z1并联连接的电容。包含在负电压施加电路171和172中的齐纳二极管Z1可以具有与二次线圈的第一端部连接的阳极和与开关SW1和SW2的栅极端子连接的阴极。具体而言，齐纳二极管Z1的阴极可以连接到路径生成电路151和152的二极管D1的阴极。
在负电压施加电路171和172中，二极管D2和电阻R4可以额外地施加至齐纳二极管Z1和电容C1。二极管D2和电阻R4配置成切断反向电流，并且控制流向开关SW1和SW2的电流的振幅，以及如果必要的话，可以省略额外的其他电气元件，或者与额外的其他电气元件连接。
开关SW1和SW2可以为根据PWM信号的占空比、以可控的方式接通/关断的电力半导体元件。开关SW1和SW2可以为基于SiC的电力半导体元件，在基于SiC的电力半导体元件中，由于栅极较低的阈值电压，在关断状态时具有负值的电压必须施加至栅极，但是并不限于此。假设开关SW1和SW2为FET，在栅极端子和漏极端子之间的具有负值的电压施加可能导致关断状态。当开关SW1和SW2为IGBT时，它们可以通过在栅极端子和发射极端子之间施加具有负值的电压而关断。
如图1所示，开关电路单元可以包括在开关SW1和SW2的栅极端子与漏极端子之间的电容C2和电阻R5。如果必要的话，可以采用适合的电容C2或电阻R5，以便去除纹波电流或调整纹波电流的大小。
将结合附图来具体地解释根据本发明的各种示例性实施方案的如上所述构造的栅极驱动装置的工作。
图2至图4为根据本发明的示例性实施方案的来自栅极驱动装置的每个节点的电压的波形图。
首先，图2示出了来自放大器21的经放大的PWM信号的波形。可以看出，来自控制器11的较小PWM信号被放大为具有在-30V至30V范围内的电压振幅的信号。经放大的PWM信号的振幅由脉冲变压器13来进行适当地变压。变压的程度取决于在脉冲变压器13的一次线圈与二次线圈之间的占空比。
在二次线圈的一个端子上施加具有正值的电压使得在开关元件S1的栅极端子上施加具有正值的电压，从而开关元件S1关断。鉴于此，开关元件S1可以为p型MOSFET。当开关元件S1关断时，形成穿过二次线圈、二极管D1、负电压施加电路171和172、以及开关SW1和SW2的栅极端子的电路径P1。
负电压施加电路171和172的每一个的电容C1由流经路径P1的电流进行充电。齐纳二极管Z1具有预定的击穿电压，使得对应于击穿电压的恒定电压形成为穿过二极管。即，负电压施加电路171和172的每一个的二次线圈节点保持比施加至负电压施加电路171和172的每一个的开关栅极端子的电压更高对应于击穿电压的量。
此外，由于施加至二次线圈的一个端子的电压大于齐纳二极管Z1的击穿电压，因此通过电路径P1而在开关SW1和SW2的每一个的栅极与漏极(或发射极)之间施加正电压，从而接通开关SW1和SW2。
图3示出了施加至如图1所示的开关SW1的栅极的栅极驱动信号的波形。可以看出的是，栅极驱动信号具有与PWM信号相同的相位。在图3中，如上所述，在对应于25V的范围内，具有正值的PWM脉冲被施加至负电压施加电路171的齐纳二极管Z1的阴极。
图4示出了施加至如图1所示的开关SW2的栅极的栅极驱动信号的波形。如图1所示，用于将栅极驱动信号施加至开关SW2的路径生成电路152和负电压施加电路172连接到二次线圈，并且具有与连接到用于将栅极驱动信号施加至开关SW1的电路相反的极性。因此，都应用至开关SW2的路径生成电路152和负电压施加电路172执行与应用至开关SW1的操作相同的操作，但是施加至开关SW2的栅极驱动信号与施加至开关SW1的栅极驱动信号的相位相反。
在二次线圈的一个端子上施加具有负值的电压使得在开关元件S1的栅极端子上施加具有负值的电压，从而开关元件S1接通。当开关元件S1接通时，二极管D1的阴极经由开关元件S1电连接到二次线圈的第二端子。因此，开关SW1和SW2的栅极不电连接到包括二次线圈的电路径，从而形成穿过负电压施加电路171和172、开关SW1和SW2的栅极端子以及开关元件S1的电路径。
当电路径P2形成时，与齐纳二极管Z1的击穿电压相对应的在电容中进行充电的恒定电压被施加至开关SW1和SW2的栅极。由于比电容C1中进行充电的恒定电压更高的电压出现在齐纳二极管Z1的阴极的节点处，因此与齐纳二极管Z1的击穿电压相对应的具有负值的电压被施加至开关SW1和SW2的每一个的栅极与漏极(或发射极)之间，从而开关SW1和SW2关断。
不需要额外的IC用于将具有负值的电压施加至电力半导体元件的栅极，如上所述，根据本发明的实施方案的栅极驱动装置可以比常规装置制造得更小并且成本更低。
此外，根据本发明的实施方案的栅极驱动装置不存在额外的IC去除了用于额外IC的电源的需求，从而解决了由电源引起的栅极故障。此外，防止了由火引发的对开关的损害，从而防止了系统误差。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述是出于说明和描述的目的。前面的描述并不旨在成为穷举的，也并不旨在把本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述教导很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方案并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际施加，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等同形式进行限定。

Claims (10)

1.一种用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其包括负电压施加电路，所述负电压施加电路包含齐纳二极管和与齐纳二极管并联连接的电容，其中，齐纳二极管具有连接到脉冲变压器的二次线圈的阴极和连接到开关的栅极的阳极。
2.根据权利要求1所述的用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其中，将脉冲信号提供至二次线圈的相对端子，所述栅极驱动装置进一步包括路径生成电路，所述路径生成电路配置成：当将脉冲信号的正电压施加至负电压施加电路所连接到的二次线圈的端子时，在负电压施加电路与二次线圈之间形成电路径；当将脉冲信号的负电压施加至负电压施加电路所连接到的二次线圈的端子时，在负电压施加电路和二次线圈之间切断电路径。
3.根据权利要求2所述的用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其中，所述路径生成电路具有这样的结构：当将PWM脉冲信号的负电压施加至负电压施加电路所连接到的二次线圈时，齐纳二极管的阳极电连接到开关的栅极，并且齐纳二极管的阴极连接到开关的漏极或发射极。
4.根据权利要求2所述的用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其中，所述路径生成电路包括开关元件和二极管，所述开关元件配置成在施加至负电压施加电路所连接到的二次线圈的端子的电压的控制下接通/关断；所述二极管具有连接到二次线圈的端子的阳极和连接到齐纳二极管的阴极的阴极；并且其中，通过开关元件的接通/关断状态来确定二极管的阴极与二次线圈的另一个端子之间的电连接或断开电连接。
5.根据权利要求1所述的用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其中，脉冲变压器包括一次线圈和多个二次线圈，所述一次线圈设计成接收用于操作开关的PWM信号，多个二次线圈用于将一次线圈的电压进行变压并输出，并且负电压施加电路和开关在数量上为多个，从而多个负电压施加电路和多个开关分别连接到多个二次线圈。
6.一种用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其包括：
路径生成电路，其配置成根据二次线圈的PWM脉冲的电压来改变电路径，所述二次线圈的PWM脉冲的电压在正电压和负电压之间交替；
负电压施加电路，其配置成通过由路径生成电路形成的第一电路径而以恒定电压进行充电，并且配置成将通过由路径生成电路形成的第二电路径充电的恒定电压施加为在开关的栅极与漏极之间的负电压，或者施加为在开关的栅极和发射极之间的负电压。
7.根据权利要求6所述的用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其中，所述负电压施加电路包括齐纳二极管和与齐纳二极管并联连接的电容，其中齐纳二极管具有连接到路径生成电路的阴极和连接到开关的栅极的阳极。
8.根据权利要求7所述的用于驱动开关的栅极的栅极驱动装置，其中，所述路径生成电路包括开关元件，所述开关元件配置成在脉冲信号的电压的控制下接通/关断，并且其中，当所述开关元件关断时，在负电压施加电路与开关的栅极以及输入端子之间形成第一电路径，而当所述开关元件接通时，负电压施加电路和开关的栅极二者与输入端子断开电连接，同时在负电压施加电路和开关的栅极之间形成第二电路径。
9.一种栅极驱动装置，其包括：
脉冲变压器，其包括：
一次线圈，其接收用于驱动开关的栅极的PWM信号，
二次线圈，其与一次线圈电磁式地连接，所述二次线圈用于PWM信号的电压进行变压和传输；
路径生成电路，其包括：
二极管，其具有连接到二次线圈的一个端子的阳极，
开关元件，其配置成根据PWM脉冲信号的电压使二极管的阴极与二次线圈的另一端子之间进行电连接或断开电连接；
负电压施加电路，其包括：
齐纳二极管，其具有连接到二极管的阴极的阳极，
电容，其与齐纳二极管并联连接，
其中，开关的栅极电连接到齐纳二极管的阴极，而开关的漏极或发射极连接到二次线圈的另一端子。
10.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，所述脉冲变压器设置有多个二次线圈，并且负电压施加电路和开关在数量上为多个，从而多个负电压施加电路和多个开关分别连接到多个二次线圈。
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