CN1164145A - 控制导通带绝缘栅电极的双极晶体管的方法及装置 - Google Patents

Abstract

控制IGBT导通的方法和装置。与先有技术不同，本发明不将栅极电压而是将栅极电流作为控制量。此电流依据加在栅极上的电压实际值与相应的额定值比较的结果对栅极进行加载。在导通过程中负载电流沿预先确定的轨迹进行调节。在负载一侧不需要对电流进行检测。代之的是利用这一事实；在IGBT中MOSFET导通期间其特性占主导地位。

Description

控制导通带绝缘栅电极 的双极晶体管的方法及装置

本发明涉及大功率电子学领域。本发明具体涉及控制导通具有绝缘栅电极的双极晶体管(IGBT)的方法，此外，本发明还涉及实施该方法的装置。

这样一种方法及相应的装置，例如在文献“栅极驱动NPT-IGBT短路特性的优化”，EPE‘95，Sevilla，第2.213-2.218页(作者H.-G.Eckel和L.Sack)及文献“具有新栅极驱动和保护电路的大功率IGBT变换器”，EPE‘95，第1.006-1.070页(作者S.Gediga，R.Marquardt，，R.Sommer)中已有叙述。

这样一种装置构成所谓栅极驱动器的一部分。该装置用于控制IGBT，就是说它提供所需要的导通和关断脉冲。栅极驱动器的另一个重要的任务是在各种运行状态下保护IGBT不受过高电压或过大电流的损害。其中尤其包括对电流和电压上升斜率的限制。对电流上升速度的限制也应用于保护参与开关过程的二极管。已知的一些栅极驱动器，例如在上述文献“栅极驱动NPT-IGBT短路特性的优化”中所提到的，主要包括一个电压源，该电压源可以提供两种电压，一种用于导通状态(典型值15V)、一种用于关断状态(典型值-15V)。此种双电压源经过限制流入栅极电流的电阻与IGBT-栅极相连接。为导通IGBT，电源由负电压直接转接到正电压。可以被看成是电容器的栅极被充电。栅极电压上升越高，栅极电流就越小，随之栅极电压上升就越缓慢。为了限制阳极-阴极电流的上升速度，曾试图对此上升速度在负载一侧进行检测，一般是通过测量总是存在的寄生电感上的电压降。以适当的反馈，常常通过开启一个并联电路让电流从栅极旁流过，以使充电过程延缓。这种解决方案的缺点是在负载一侧需要一个附加的传感器。此外，由此得到的信号很小从而易受干扰。IGBT氧化物电容的充电在导通时往往进行得很慢，因为此处栅极电阻上驱动电流的电压差很小。与此相关联的负载一侧电压下降的速率很难控制而且往往很慢。

在第二篇文献“具有新栅极驱动和保护电路的大功率IGBT换变器”中曾尝试将此附加的传感器通过在导通时预先确定的一个电压时间函数加以取代。但是，电压源依然要经一个较大的电阻与IGBT栅极连接。因此，在栅极上的实际电压显著落后于此电压时间函数。

因此，本发明的任务是提出一种方法和实现此方法的装置，此装置具有尽可能简单的结构，并且在所有运行状态下导通时使IGBT能保持在SOA(Safe Operation Area，即：安全工作区)，而且在负载一侧不需要限制或监控装置。此外，此方法在导通时应该允许对电流的上升速率(dI/dt)进行调节，而且在负载一侧不需要检测电流值。

此项任务是通过以下的技术方案予以解决的。

一种控制导通具有绝缘栅电极的双极晶体管(IGBT)的方法，其特征在于，用控制电流给栅电极加载，此电流是依据在栅电极所加电压的实际值与预先确定的额定值相比较所得结果形成的。

所以，本发明的核心是：与先有技术相反，本发明不是将栅电压而是将栅电流作为控制量。此电流依据加在栅极上电压的实际值与相应的额定值比较的结果对栅极进行加载。在导通过程中，负载电流沿预先确定的轨迹进行调节。尽管如此，在负载一侧不需要检测电流值。取而代之的是利用这样的事实，，即在IGBT中MOSFET接通期间其特性占主导地位。可以证明(见下述)，一旦栅极电压大于阈值电压，则在栅极电压与负载电流之间就存在着平方函数关系。这种关系直到满负载电流时一直有效。栅极电压沿某一确定的轨迹由关断态进入导通态的控制可使负载电流与此电压呈平方比例上升。反之，可容易地由栅极电压曲线计算出所需负载电流曲线。

IGBT的栅极是一个电容，现在必须对其上的电压加以控制。控制量只能是流入栅极的电流。一种简单的比例调节器可满足控制的需要。于是栅极电流与所要求的栅极电压和实际栅极电压之差成正比。在电路技术的实施中，一个函数发生器经一个比较器和一个比例调节器与一个压控电源连接。对此函数发生器沿着一条选定的曲线加以控制。这样控制的电流源为IGBT的栅极提供所需的控制电流。

本发明除全面控制导通过程中电流的上升外，也还为其它运行状态带来益处。栅极充电达到阈值电压的过程非常迅速，因为它对负载一侧没有影响。当IGBT得到满负载电流之后，通过对栅极电流的限制，也可以限制IGBT上负载一侧电压变化的速率(导通-du/dt)，因为采用较小的栅极电流可使氧化物电容充电较慢。最后，用预先给定的、适宜的栅极电压的额定曲线，也可以在IGBT关断时对电压上升施加影响。

在本申请中，还给出本发明的其它实施例。

下面借助包含在各附图中的实施例进一步阐述本发明。

这些附图是：

图1，实现本发明方法的装置的等效电路图；

图2，一个IGBT-模型的等效电路；

图3～5，几种电压时间函数。

在符号表中综合给出了附图中所用符号及其含义。原则上，在附图中相同的部分用相同的符号表示。

符号表

1    IGBT

2    电压控制电流源

3    函数发生器

4    差分放大器

5    续流二极管

6    栅电极

7    阴极电极

8    阳极电极

本发明建立在对IGBT-模型深入分析的基础上。一个IGBT-模型例如在文献“在Saber电路模拟器中实现的、实验证实的IGBT-模型”，电气与电子工程师学会大功率电子学会刊(IEEE Trans.on PowerElectronics)，第9卷，1994年9月(作者A.R.Hefner和D.M.Diebolt)中已有叙述。此外，下面使用的所有公式都可在此文献中找到。

在图2中设法把模型公式用电网络可视化。图中元件和电流的符号基本上与上面文献所述一致。特别是输入的电流是高度非线性的。该模型具有6个电节点，这些节点必须满足基尔霍夫公式。负载电流包含从双极发射极直接流到阴极的多个分电流并且包括双极发射极流经MOS-漏极(＝双极基极)到阴极的那些电流。第一类电流的总和也称为双极电流，后一类称为MOS电流。

首先考察MOS电流。根据图2它包括两部分：即所谓的发射极-基极-DC-电流i_bp和由基极电荷变化引起的位移电流i_ceb。它们的和用i_b表示。根据节点规则，电流i_b必须等于由漏极D到阴极7的电流。此电流也可包括三部分：即真正的在MOS沟道中的电流i_mos、反映在高电场中通过突然电离产生载流子倍增的电流i_mult和在漏极-源极-电容中的位移电流d(Q_cdsj)/dt。电流i_mos显示是决定性的。因此电流i_b实际等于i_mos。

其次考察双极电流：它是发射极-集电极-DC-电流i_cp和再分布电流i_ccer之和。电流i_ccer在导通时可以忽略。电流i_cp必须进一步单独加以分析。 $i_{\mathrm{cp}}=\left(\frac{1}{1+b}\right)i_{\mathrm{rb}}\left(\frac{b}{1+b}\right)\frac{4D_P}{W^2}{Q}_{\mathrm{oeb}}---\left(1\right)$ 其中b：双极迁移率比

Dp：空穴扩散常数

W＝W(t)：中性基区宽度

Q_ceb＝Q_ceb(t)：发射极-基极电荷

根据式(1)，i_cp包括反映空穴电流和电子电流之间耦合的分量（左侧相加数)和决定电荷的分量(右侧相加数)。右侧相加数分量约占总负载电流的10％。

由这些分析得到，对于调节器的设计在导通时负载电流确定为MOS沟道中的电流i_mos和双极电流的由空穴输运和电子输运耦合决定的分量(式(1)中左侧相加数)之和。所有其它影响都可看成干扰量。

下面研究MOS电流和已考虑的双极电流icp^*之间的关系。当忽略右侧相加数时，由式(1)得式(2)。 $i_{\mathrm{cp}}*=\left(\frac{1}{1+b}\right)i_{\mathrm{rb}}---\left(2\right)$

MOS电流i_mos和双极电流i_cp ^*在发射极节点E(见图2)相加得到i_rb(式(3))。

i_rb＝i_cp ^*+i_mos               (3)解式(2)求i_rb并且代入式(2)并随后求解i_mos得式(4)。 $i_{\mathrm{mos}}=\frac{1}{b}\·i_{\mathrm{cp}}---\left(4\right)$

依据式(5)总电流与MOS电流相关，按此公式两电流彼此呈线性关系。 $i_{\mathrm{rb}}=\frac{1}{b}{i}_{\mathrm{mox}}+i_{\mathrm{mos}}=\left(\frac{1+b}{b}\right)i_{\mathrm{mos}}---\left(5\right)$

IGBT由栅极控制。因此下面将寻找栅极量与负载电流之间可用于控制的关系式。在负载电流的上升边缘期间IGBT的“内部”MOSFET处在饱和状态。栅极电压与MOS沟道电流之间存在公式(6)示出的众所周知的平方关系。可以看到，在此状态下栅极电压已经大于阈值电压。 $i_{\mathrm{mos}}=K_P{(v_{\mathrm{gs}}-v_t)}^2\frac{1}{2}---\left(6\right)$ 其中 K_p：饱和区中的MOS跨导

 Vt：MOSFET阈值电压

 Vgs：栅极电压

将式(6)代入式(5)得到负载电流与栅极电压之间简单的、适用于导通状态时的平方关系式(7) $i_{\mathrm{rb}}=\left(\frac{1+b}{b}\right)K_P{(v_{\mathrm{gs}}-v_t)}^2\frac{1}{2}---\left(7\right)$

由此获得用于控制的结论是：

通过控制栅极电压可以调节上升期间的负载电流。在负载回路内串联杂散电感上的跨导的测量可以省略。此时控制技术方面的问题必须以另一种方式提出：流入IGBT栅极的电流用作控制量，而实际上控制IGBT的栅极电压才是被控制量。应当指出，需要解决的控制任务涉及的是所谓轨迹问题，不同于在工作点的控制。因此，现在必须找到一条适当的轨迹，使调节器按这条轨迹进行控制。这一点当然也为电路的设计展示了附加的自由度。

所以用栅极电流作为控制量就必须对栅极电压进行控制。该控制系统是一个积分器，此积分器由MOSFET的栅极-源极-电容和由氧化物电容构成。然而，氧化物电容只是在导通过程结束前才有影响。比例调节器可作为调节器使用。所得到的闭环系统是个一阶闭环系统，因此也不可能出现振荡。比例调节器的增益受到可提供的最大栅极电流的限制。

图1示出这种调节装置的实施例。其中，IGBT用1表示，续流二极管(Freilaufdiode)5与其逆并联。这两个元件可以是大功率电子学电路，例如桥式电路连接的多相变换器中的部件。此电路的负载，例如可以是一个强感应驱动电动机。

IGBT1的控制电极或栅电极6由电压控制的电流源2馈电。该电源安置在IGBT1的栅电极6与阴极7之间。控制电压由差分放大器4的输出电压所构成。差分放大器4构成一个比较器和一个比例调节器。在IGBT1的栅电极6处测量栅极电压并与由函数发生器3预先给定的电压轨迹进行比较。这种额定值-实际值比较的结果将在比例调节器中放大并用于控制电流源2。

下面介绍几个适用的轨迹方案：其中应达到约0.8kA/μs的电流上升速率。由-15V(IGBT截止)到例如7V的阈值电压的电压上升速率可以任意选择，因为它对负载一侧没有影响。这里起限制作用的充其量是由电流源可提供的最大栅电流。所以，在此范围内电压上升速率可以在例如3μs内由-15V线性地上升至7V。按类型和应用栅极电压由阈值电压进一步上升到使IGBT获得满电流的10至11V的电压的方式方法，决定了负载侧电流的性能。最简单的情况是让栅极电压线性上升。于是负载电流按平方律上升。为了达到约0.8kA/μs的上升速度，一个2.5kVIGBT的栅极电压必须在3μs内由6.5V上升至10.5V。进一步上升至在15V导通状态下的稳定电压主要影响IGBT的电压下降速度。这里也可以应用一条直线，此直线选择的越陡，则允许IGBT上的电压下降的速率就越陡。它的典型值等于中间段的陡度或者比其稍缓，因为，特别是栅极电压在由最后段到此段过渡时是随负载电流变化的。

所以，按上述示例电压轨迹由三段直线(图3)组成。第一段直线由-15V上升至阈值电压。第二段在阈值电压处开始并上升至IGBT完全导通时的栅极电压。紧接着，第三段直线再上升至15V。另一个方案是按 形式把前两段组合在一起的上升曲线，该段曲线使栅极迅速上升至阈值电压。此外，它使负载电流在较低电压范围内比在较高电压范围内上升得要快些。因此，在保护二极管的同时有可能把损耗功率降至最小。然后为简单起见，第三段将同样具有

形式(图4)。另一种方案也可以把中间段想象成方根函数形式的曲线(图5)。该方案特别是以与电流曲线下的面积成比例的损耗功率降至最小为特征。

产生上述电压轨迹的函数发生器可以是数字式、也可以是模拟式结构。在模拟式结构中，特别是可以提供

形式的曲线，因为这种曲线可以以简单的方法借助电容器的充电加以实现。在数字式结构中也可实现方根式曲线，例如以查寻表形式存储的函数表。

总之，本发明提出了控制导通IGBT的一种方法和相应的装置，这种装置不需要负载一侧的电流或电压测量，而以简单的电路技术方法实现对电流上升的限制。

Claims (13)

1.一种控制导通具有绝缘栅电极的双极晶体管(IGBT)的方法，其特征在于，用控制电流给栅电极加载，此电流是依据在栅电极所加电压的实际值与预先确定的额定值相比较所得结果形成的。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，把预先确定的电压上升函数作为额定值。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，电压上升函数基本上包括三部分，其中，电压在第一部分上升至IGBT的阈值电压，在第二部分由阈值电压上升至IGBT得到满负载电流的栅极电压值，以及在第三部分由此电压值上升至栅极电压的最大值。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，这三部分曲线呈倾斜式上升，尤其是其中第一部分的斜率大于其它两部分的斜率。

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于，前两部分以 函数曲线形的总上升来实现，并且第三部分同样具有 函数曲线形状，尤其是其中第一部分的斜率大于第二部分的斜率。

6.根据权利要求3所述方法，其特征在于，第一和第三部分呈直线形上升，而中间的第二部分具有平方根函数的形状。

7.实施根据权利要求1所述方法的装置，其特征在于，设置一个压控电流源(2)，安装在IGBT的栅电极(6)和阴极(7)之间。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，

—设置一个函数发生器(3)，其输出端与比较器第一输入端连接，其中，比较器的第二输入端的电压为加在栅电极(6)上的电压，和

—比较器的输出端经比例调节器与压控电流源(2)的控制输入端相连接。

9.根据权利要求8所述装置，其特征在于，比较器和比例调节器集成在一个差分放大器(4)内。

10.根据权利要求7、8或9所述装置，其特征在于，函数发生器(3)产生一电压上升函数，它基本上包括两部分，其中，第一部分的电压上升至IGBT的阈值电压，而第二部分的电压由阈值电压上升至栅极电压的最大值。

11.根据权利要求10所述装置，其特征在于，这三部分曲线呈倾斜式上升，特别是其中第一部分的斜率大于其它两部分的斜率。

12.根据权利要求10所述装置，其特征在于，前两部分以

函数曲线的相同的斜率来实现，并且第三部分同样具有 函数曲线形状，特别是其中第一部分的斜率大于第二部分的斜率。

13.根据权利要求10所述装置，其特征在于，第一和第三部分呈直线形上升，而中间的第二部分具有平方根函数的形状。

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