CN203691215U - 一种半导体器件驱动装置及包含其的变速传动装置 - Google Patents

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理查德·马克·维恩
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Abstract

本实用新型公开了一种半导体器件驱动装置及包含其的变速传动装置，所述半导体器件驱动装置包含电压源，一个或多个半导体开关器件，一个或多个可选择地连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路，以及用于选择将一个或多个所述栅极阻抗电路连接到所述半导体开关器件的选择器；所述电压源连接所述栅极阻抗电路。

Description

一种半导体器件驱动装置及包含其的变速传动装置
技术领域
本实用新型涉及一种半导体器件驱动装置及包含其的变速传动装置。 
背景技术
半导体器件驱动装置一般用于产生三相交流电压以通过变速传动装置驱动同步电机。该驱动装置可用于电动车，但也可作为其他用途用于其它领域。半导体器件驱动装置可采用多个栅极驱动半导体器件，如IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）。 
IGBT和MOSFETs是由栅极－发射极电压Vge驱动的半导体器件，并能够通过向栅极施加电压信号进行导通和关断。“导通”是指集电极－发射极从断开状态转换为导通状态。“关断”是指集电极－发射极从导通状态转换为断开状态。 
以下专利文件为现有的、用于控制驱动装置中半导体器件开关动作的驱动装置的示例：欧洲专利申请号2418776；国际专利申请号WO2008/153631，欧洲专利申请号EP1881587和欧洲专利申请号0817381。但这些用于控制半导体开关器件的半导体器件驱动装置不是在所有的运行条件中都适用，具有一定的局限性。 
实用新型内容
本实用新型旨在克服上述的问题，提供了一种半导体器件驱动装置，包含电压源，一个或多个半导体开关器件，一个或多个可选择地连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路，以及用于选择将一个或多个所述栅极阻抗电路连接到所述半导体开关器件的选择器；所述电压源连接所述栅极阻抗电路。 
上述半导体器件驱动装置还包含微处理器，所述微处理器分别连接所述一个或多个栅极阻抗电路和电压源。 
上述栅极阻抗电路包括第一电阻，第二电阻，和第一电容，所述第一电阻与所述第二电阻串联，所述第一电阻一端连接电压源，所述第二电阻一端连接所述半导体开关器件的栅极，所述第一电容一端连接在第一电阻和第二电阻中间，另一端连接所述半导体开关器件的发射极。 
上述栅极阻抗电路包括第一栅极阻抗电路和第二栅极阻抗电路， 
所述半导体器件驱动装置还包括连接所述第一栅极阻抗电路和所述半导体开关器件栅极之间的第一二极管，和连接在所述第二栅极阻抗电路和所述半导体开关器件栅极的第二二极管。 
上述第一栅极阻抗电路为两个或三个，所述第二栅极阻抗电路为相对应的两个或三个。 
上述第一栅极阻抗电路和第二栅极阻抗电路为全桥拓扑连接、串联、并联、与一个或多个其它栅极阻抗网络组合，或与其它栅极阻抗网络隔离连接。 
本实用新型还提供了一种变速传动装置包含上述所述的半导体器件驱动装置。 
附图说明
通过以下对附图的描述，本实用新型实施方式的特征和优点将变得更加容易理解，其中 
图1展示了一种半导体器件驱动装置的示例； 
图2具体地展示了半导体器件驱动装置的第一实施例； 
图3展示了将被执行用以确定所连接的栅极阻抗电路的程序的示例； 
图4展示了半导体开关器件导通过程中的集电极电流Ic的示例； 
图5展示了半导体开关器件导通过程中的集电极－发射极电压Vce的示例； 
图6展示了半导体开关器件导通过程中的栅极－发射极电压Vge的示例； 
图7展示了半导体开关器件关断过程中的集电极电流Ic的示例； 
图8展示了半导体开关器件关断过程中的集电极－发射极电压Vce的示例；及 
图9展示了半导体开关器件关断过程中的栅极－发射极电压Vge的示例。 
具体实施方式
下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件，因此相同部件的构造将不再重复描述。 
以下结合附图以及具体实施方式对本实用新型的技术方案做进一步说明。 
如图1所示，半导体器件驱动装置100包含半导体开关器件2（例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或MOSFET）、开关装置4、驱动电压源6和微处理器8。微处理器8控制开关装置4的开关动作以及电压源6，以有效地开关半导体开关器件2并为负载10产生驱动信号。为简单起见，图1中的驱动装置100包含单一的半导体开关器件2（例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或MOSFET）。但是需要认识到，驱动装置100可包含多个半导体开关器件2（例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或MOSFET），并具有相关的开关装置4和微处理器8控制的驱动电压。 
图2展示了关于开关装置4和电压源6的实施例以及进一步的详情信息。优选地，给每个IGBT栅极驱动提供多个栅极电阻和电容网络。 
开关装置4包含多个栅极阻抗电路40，42以及多个二极管44，46。其中，二极管44和二极管46用于控制在开关器件2导通或关断时的电流。在导通状态时，电流流经开关器件2的导通环路的栅极阻抗电路40。在关断状态时，电流流经开关器件2的关断环路的栅极阻抗电路42。每个栅极阻抗电路40和42包含一个或多个电阻R和一个或多个电容C。例如，第一栅极阻抗电路40a包含电阻Ron_1_a和Ron_1_b以及电容C1_on。电阻Ron_1_a和Ron_1_b可包含单一的电阻或如图所示的2个串联的电阻。导通环路的第二栅极阻抗电路40b，包含电阻Ron_2_a和Ron_2_b以及电容Con_2。第三栅极阻抗电路40c以虚线显示，其包含电阻Ron_n_a和Ron_n_b以及电容Con_n以表示可按照要求尽可能多的提供的预设栅极阻抗电路40。同样地，在 关断环路中，第一栅极阻抗电路42a包含电阻Roff_1_a和Roff_1_b以及电容Coff_1。第二栅极阻抗电路42b包含电阻Roff_2_a和Roff_2_b以及电容Coff_2。同样，如图中虚线所示，第三栅极阻抗电路42c包含电阻Roff_n_a和Roff_n_b以及电容Coff_n。如有必要，可提供多个关断栅极阻抗电路42。 
工作时，微处理器8向微处理器可控开关18提供第一控制信号（如方框12所示）以控制半导体开关器件2的开关电压6。电压6a是导通电压，电压6b是关断电压。该电压决定了半导体开关器件2是处于导通状态，还是关断状态。控制信号12决定导通驱动电压6a或关断驱动电压6b是否被提供给半导体开关器件2。微处理器8向微处理可控开关48提供第二控制信号（如方框14所示）以控制在半导体开关器件2的导通周期中连接的栅极阻抗电路40。微处理器8向微处理器可控开关49提供第三控制信号（如方框16所示）以控制在半导体开关器件2的关断周期中连接的关断栅极阻抗电路42。选择装置包含控制信号14和控制信号16以及相关的微处理器可控开关48和微处理器可控开关49，以在某给定时间确定选择的栅极驱动电路40和栅极驱动电路42。 
半导体器件驱动装置100用于向半导体开关器件2的栅极提供驱动信号。半导体器件驱动装置100包含多个以可选择方式连接到半导体开关器件2的栅极阻抗电路40，42。所存储的数据基于半导体器件驱动装置100的特定工作条件来定义具体的、连接到半导体开关器件2的一个或多个栅极阻抗电路40,42。微处理器8基于特定的工作条件和存储数据选择连接到半导体开关器件2的一个或多个栅极阻抗电路40，42。 
对用于驱动半导体开关器件2（比如IGBT）的栅极阻抗电路40，42的选择会强烈影响测量的辐射发射、传导发射以及驱动装置的开关损耗。优选地，提出的栅极驱动可以控制所选择的栅极驱动阻抗以满足应用需要。 
可使用变速传动装置(VSD)微处理器8的命令来选择合适的网络40和42。以达到实现以下任一功能的目的： 
1)在低输出相电流的情况下减少辐射发射。 
2)在整个工作范围内增加栅极阻抗以减少传导发射并允许使用更长的 驱动－电机电缆。可基于工作时IGBT的开关频率进行选择。 
3)针对替代厂家提供的IGBT选择最优栅极驱动。 
4)减少由于热循环造成的热疲劳。 
向半导体开关器件2的栅极驱动施加正电压6a(VG_on)以导通具有微处理器(uP)开关控制的IGBT，如方框12和开关18所示。来自栅极电源的电流流经所选择的阻抗网络40x，该阻抗网络具体由微处理器的信号控制的微处理器选择开关48确定，如方框14所示。在关断过程中，如方框12所示的微处理器开关控制信号产生一个负电压6b(VG_off)，该电压被施加到半导体开关器件2的栅极驱动上。这样通过所选择的网络42x移除了从半导体开关器件2栅极的充电。可根据导通和关断工作的需要，增加网络40和42的数量。 
图2展示了一个在导通环路和关断环路中都提供了多个栅极阻抗网络的实施例，且每个栅极阻抗网络40或42都采用全桥拓扑（即第一栅极阻抗电路40a总是连接的且附加的第二栅极阻抗电路40b和第三栅极阻抗电路40c与第一栅极阻抗电路40a并联，要么单独连接，要么相互并联）。然而，栅极阻抗网络40和42也可以有其它形式，比如串联、并联、与一个或多个其它栅极阻抗网络组合，与其它栅极阻抗网络隔离等。 
降低辐射发射 
通过研究发现，单个固定栅极阻抗的辐射发射随着IGBT集电极电流的增加而降低。本实用新型利用了上述原理，即在已知输出相电流Ic的情况下，通过微处理器8从多个已定义的栅极阻抗网络40和42中进行选择。可根据工作电流范围，从栅极阻抗电路40和42中选择合适的栅极阻抗。 
改变栅极驱动阻抗电路40和42可调节开关过程中集电极电流Ic和电压的瞬态特性。在本实用新型所述的开关装置中，可针对每个输出相电流选择最优的栅极驱动电阻以使开关损耗最小化，同时确保符合辐射发射限值。 
为此，微处理器中存储了程序，用以基于开关器件所要求的输出相电流来确定栅极阻抗的选择。例如，微处理器针对所要求的输出相电流存储了一个查询表，如表1所示，为两个输出电流的示例，当然也可存储针对其它输出相电 流的数据： 
表1 
要求的输出相电流 导通栅极阻抗 关断栅极阻抗
Ia 40a 42a
Ib 40b 42b
接着，用户可根据要求的输出相电流设置半导体器件驱动装置100。例如，在设置时用户输入要求的输出相电流（即Ib），微处理器在查询表中查询该输出相电流所对应的栅极阻抗。在上述示例中，在开关周期的导通和关断过程中分别选择栅极阻抗电路40b和栅极阻抗电路42b。 
在高开关频率时增加电缆长度 
负载中使用的电缆长度通常受传导发射的限制。在电缆长度一定的情况下，传导发射随着开关频率的增加而增加。已知传导发射和IGBT开关瞬态的dV/dt有关。 
使用提出的栅极驱动，针对工作开关频率和电缆长度可以选择栅极阻抗电路40和42。当输入连接电缆的详细数据后，微处理器8重新计算开关损耗的变化以进行补偿，从而确保产品受到保护。可以对此进行进一步扩展，针对输出相电流选择栅极阻抗电路40和栅极阻抗电路42。 
为此，微处理器中存储有程序，以基于工作开关频率和电缆长度来确定栅极阻抗的选择。例如，微处理器针对工作开关频率和电缆长度存储了一个查询表，如表2所示，为针对两个工作开关频率和两个电缆长度的查询表示例。当然，存储的数据也可与工作开关频率和电缆长度的更多组合相关： 
表2 
工作开关频率 电缆长度 导通栅极阻抗 关断栅极阻抗
A X 40a 42a
B X 40b 42a+42b
A Y 40a+40b 42a
B Y 40a+40b 42b
接着，用户可根据所要求的工作开关频率和电缆长度设置半导体器件驱动装置100。例如，在设置时用户输入所要求的工作开关频率和电缆长度，微处理器在查询表中查询对应符合要求的栅极阻抗。在上述示例中，针对工作开关频率B和电缆长度X，在开关周期的导通过程中选择栅极阻抗电路40b，在开关周期的关断过程中选择栅极阻抗电路42a和42b。 
针对替代厂家的IGBT选择最优栅极驱动 
为保证组件供应的安全，通常会为半导体开关器件（比如IGBT）寻找一个生产类似半导体开关器件的替代厂家以保证驱动器生产。为使不同生产厂家的IGBT都获得最优开关性能，可由所安装的半导体开关器件2确定选择不同的阻抗电路40和42。 
为此，微处理器中存储有程序，以基于所使用的半导体开关器件来选择栅极阻抗。例如，微处理器针对每个已定义的开关器件存储了一个查询表，如表3所示，为三个半导体开关器件的查询表示例。当然，所存储的数据可与任何数量的半导体开关器件有关： 
表3 
开关器件 导通栅极阻抗 关断栅极阻抗
IGBT1 40a 42a
IGBT2 40b 42b
MOSFET1 40c 42b
接着，用户可根据所安装的开关器件设置半导体器件驱动装置100。例如，在设置时用户输入所使用的开关器件，微处理器在查询表中查询符合该条件要求的栅极阻抗。在上述示例中，针对开关器件IGBT2，在开关周期的导通过程中和关断过程中将分别选择栅极阻抗电路40b和栅极阻抗电路42b。 
减少由于热循环所造成的热疲劳 
可使用可选的栅极阻抗以在特定应用下减少IGBT中结点温度的变化(delta Tj)，从而延长产品寿命。当测量到低的集电极电流时，可更换栅极阻抗电路40和42以使半导体开关器件2的功耗在循环应用中保持相对恒定。这样做的目的是减少半导体开关器件的热疲劳。 
为此，微处理器中设有预存程序以基于测量到的集电极电流Ic来选择栅极阻抗。例如，微处理器针对每个已定义的集电极电流Ic存储了一个查询表，如表4所示，为针对三个集电极电流的查询表示例。当然，所存储的查询表可与任何数量的集电极电流有关： 
表4 
测量的集电极电流Ic 导通栅极阻抗 关断栅极阻抗
A 40a 42a
B 40b 42b
C 40c 42b
接着，用户可根据所测量的集电极电流设置半导体器件驱动装置100。例如在设置时，用户可输入所测量的集电极电流和测量该集电极电流时所选择的栅极阻抗的详细数据，运行中，微处理器在查询表中查询符合该条件要求的栅极阻抗。在上述示例中，当测量到器件的集电极电流等于C时，将在开关周期的导通过程和关断过程分别选择栅极阻抗电路40c和栅极阻抗电路42b。 
上述查询表仅作为示例。本领域技术人员应该清楚该查询表可能包含上述未提到的一些公开变量的组合（例如针对上述讨论过的所有变量的组合定义的栅极阻抗）并且数据可能以非查询表的其他格式存储。例如，数据可能以要执行的程序或惯例的形式存储。例如，图3展示了要执行的用以确定针对所要求的输出相电流连接的栅极阻抗电路的程序示例（和表1中讨论的示例类似）；在工作条件301下，读取所要求的输出相电流。若
Figure DEST_PATH_GDA0000479543320000082
小于数值A（工作条件302），则栅极阻抗40a+40b和42a+42b连接在一起（工作条件303）。 若所要求的输出相电流
Figure DEST_PATH_GDA0000479543320000091
大于数值A且小于数值B（工作条件304），则栅极阻抗40a和42a连接在一起（工作条件305）。若要求的输出相电流
Figure DEST_PATH_GDA0000479543320000092
大于数值B（工作条件304），则栅极阻抗40b和42b连接在一起（工作条件306）。也可针对其他所要求的工作条件，存储类似的程序，如上述表2至表4中讨论过的相关工作条件。 
针对所要求的不同工作条件对栅极阻抗电路的选择可能有冲突。若发生冲突，则可选择导通环路和关断环路的最高栅极阻抗。 
通常，会在器件的开关动作之前选择栅极阻抗电路并把所选择的栅极阻抗电路连接到半导体开关器件2的栅极。 
图4至9展示了基于开关器件的特定条件选择的栅极阻抗的可能输出示例。图4至6分别展示了开关器件在导通过程中的集电极电流Ic、集电极－发射极电压Vce和栅极－发射极电压Vge。图7至9分别展示了开关器件在关断过程中的集电极电流Ic、集电极－发射极电压Vce和栅极－发射极电压Vge。Vt是二极管44和二极管46的阀值电压、VF是二极管44和二极管46的正向电压、Vge,IL是当负载电流为IL时的栅极－发射极电压Vge。 
在导通过程中，Vge的上升率对集电极电流Ic和Vce的上升率影响很大（如图4至6的时间t1和t6之间所示）。基于驱动装置的工作特性，（例如：开关器件所要求的相电流；连接半导体器件驱动装置和负载的电缆的长度；开关器件所要求的工作开关频率；驱动装置的开关器件；在开关过程中为保持恒定功耗的开关器件的集电极电流）栅极阻抗40在导通过程中为接通状态，并因此被选择以控制Ic和Vce的上升率，从而限制辐射发射和传导发射。 
在关断过程中，Vce会超过所要求的值（如图8中时间t3后所示）。基于驱动装置的工作特性，（例如：开关器件所要求的相电流；连接半导体器件驱动装置和负载的电缆的长度；开关器件所要求的工作开关频率；驱动装置的开关器件；在开关过程中为保持恒定功耗的开关器件的集电极电流）栅极阻抗42在关断过程中为接通状态，并因此被选择以最小化上述Vce的超额。 
针对所要求的特定工作条件而存储的数据一般通过实验来确定，即针对每一种考虑到的给定工作条件进行各种电阻和电容组合实验而确定这些数据。很 明显，栅极阻抗电路选项越多，则开关电路4越复杂并且器件越密集。每个特定实施例将确定导通栅极阻抗电路40和关断栅极阻抗电路42的合理的数量。一旦确定，微处理器将会针对所要求的特定工作条件，按照相关程序和存储的数据（例如查询表）执行程序。 
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。 

Claims (7)

1.一种半导体器件驱动装置，其特征在于，包括
电压源，
一个或多个半导体开关器件，
一个或多个可选择地连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路，以及
用于选择将一个或多个所述栅极阻抗电路连接到所述半导体开关器件的选择器；
所述电压源连接所述栅极阻抗电路。
2.根据权利要求1所述的半导体器件驱动装置，其特征在于，所述半导体器件驱动装置还包含微处理器，所述微处理器分别连接所述一个或多个栅极阻抗电路和电压源。
3.根据权利要求1所述的半导体器件驱动装置，其特征在于，所述栅极阻抗电路包括第一电阻，第二电阻，和第一电容，所述第一电阻与所述第二电阻串联，所述第一电阻一端连接电压源，所述第二电阻一端连接所述半导体开关器件的栅极，所述第一电容一端连接在第一电阻和第二电阻中间，另一端连接所述半导体开关器件的发射极。
4.根据权利要求1或3所述的半导体器件驱动装置，其特征在于，所述栅极阻抗电路包括第一栅极阻抗电路和第二栅极阻抗电路，
所述半导体器件驱动装置还包括连接所述第一栅极阻抗电路和所述半导体开关器件栅极之间的第一二极管，和连接在所述第二栅极阻抗电路和所述半导体开关器件栅极的第二二极管。
5.根据权利要求4所述的半导体器件驱动装置，其特征在于，所述第一栅极阻抗电路为两个或三个，所述第二栅极阻抗电路为相对应的两个或三个。
6.根据权利要求4所述的半导体器件驱动装置，其特征在于，所述第一栅极阻抗电路和第二栅极阻抗电路为全桥拓扑连接、串联、并联、与一个或多个其它栅极阻抗网络组合，或与其它栅极阻抗网络隔离连接。
7.一种变速传动装置，其特征在于，所述变速传动装置包含权利要求1至4任一所述的半导体器件驱动装置。
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