CN205725436U - 栅极驱动电路以及包括栅极驱动电路的桥电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于施加电压给半导体开关设备的栅极的栅极驱动电路。栅极驱动电路包含提供用于操作半导体开关设备的电压命令的栅极驱动控制器，耦合在栅极驱动控制器与半导体开关设备之间的多个初级栅极电阻，与初级栅极电阻并联连接的一个或多个次级栅极电阻，与各初级栅极电阻串联连接的初级晶体管，以及与各次级栅极电阻串联连接的次级晶体管。进一步的，初级或次级晶体管中的一个从栅极驱动控制器接收一个或多个电压命令并经由初级或次级栅极电阻中的一个提供一个或多个对应的电压电平给半导体开关设备以控制半导体开关设备的导通‑关断行为。

Description

栅极驱动电路以及包括栅极驱动电路的桥电路
技术领域
本发明总的来说涉及用于半导体设备的栅极驱动电路，更具体地说涉及用于半导体开关设备的栅极驱动电路。
背景技术
例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的半导体设备可用在许多电气系统中作为用于多种应用的电子开关元件。例如，IGBT可用在电力变换器的桥电路中以将交流(AC)功率转换为直流(DC)功率，反之亦然。IGBT在单个方向上传输电流，因此，IGBT经常并联耦合有“反并联”或“续流二极管”以允许电流在反方向上流过。
IGBT通常包含三个端子，包括栅极、集电极和发射极。IGBT可通过使用栅极驱动电路来控制栅极-发射极电压而作为开关元件操作。例如，当栅极-发射极电压超过IGBT的阈值电压时，IGBT可导通从而使得电流能够流经IGBT的集电极和发射极。当栅极-发射极电压小于IGBT的阈值电压时，IGBT将关断从而使得流经集电极和发射极的电流受到限制。在IGBT的操作期间，快速导通和关断IGBT以减少关断损耗是非常重要的。减小与IGBT相关的关断栅极电阻能够使得IGBT更快速地关断。举例来说，图1示出了传统的用于导通和关断IGBT 12的栅极驱动电路10的方框图。如图所示，栅极驱动电路10具有简单的ON/OFF配置用来经由栅极驱动控制器22控制IGBT 12。更具体地说，控制器22发送一个或多个电压命令、即P15_ON或N9_OFF给场效应晶体管14，16中的一个。晶体管14，16随后通过电阻18，20中的一个发送相应的电压电平(即+15V或-9V)给IGBT 12。
在典型的IGBT关断期间，来自栅极-集电极的寄生密勒电容与关断栅极电阻共同工作以控制集电极-发射极电压的电压变化速率(dv/dt)。然而，典型的IGBT结构具有将该速率限制在IGBT能够关断的速率的固有特性。更具体地说，如下文更详细解释的，当栅极-发射极电压相对于IGBT的漂移区来说为负时，与栅极氧化层相邻的漂移区趋于反型并变成分路(shunt)以用于供来自集电极的位移电荷经该分路流至发射极。
例如，图2描绘了可用在多种应用中的多个示例IGBT结构100。示例IGBT结构100用来进行说明和讨论。如同所示，各IGBT结构100包括栅极110、集电极120和发射极130。栅极氧化层150的位置邻近栅极110。
各IGBT结构100可包括漂移区135，当其处于阻断情况下时，电压的大多数被积累。为了增大IGBT上的阻断，位移电流可流至栅极110，除非栅极110变得相对于发射极130反向偏置，这时负的偏置将迫使相同极性的载体脱离漂移区135离开栅极氧化层150附近。随后位移电流可使用形成至发射极130的沟道140，而不是使用栅极驱动作为行至发射极130的方式。所形成的沟道140提供连接至邻近发射极130的P+区域的路径或“分路”。在栅极氧化层150附近的N-区域具有反型电荷能够产生阻断区，从而使得来自密勒电容的电流流入发射极130，而不是栅极150。
反型分路或沟道140的出现能够在关断期间影响IGBT的密勒电容。例如，如果当IGBT正在关断并且集电极电流仍在流动时反型分路140被允许存在，则IGBT的密勒电容的自然反馈可被分路。这可降低密勒电容对集电极-发射极电压的电压变化速率(dv/dt)的影响，从而允许IGBT在关断期间潜在地具有集电极-发射极电压的过电压。
另外，IGBT的更快导通可能导致相位支路中另一IGBT的反向并联续流二极管在该二极管的反向恢复期间发生“阶跃”行为。该“阶跃”行为(即，二极管中反向恢复电流的大变化率(di/dt))能导致由于电路中的寄生电感而产生的集电极-发射极电压VCE尖峰。这进而导致对二极管造成损害并最终造成电路故障。
因此，需要一种改进的栅极驱动电路，其能够在半导体关断期间提供对集电极-发射极电压的电压变化率(dv/dt)的改进控制。更具体地说，在续流二极管经历二极管反向恢复的时间周期中对集电极-发射极电压的电压变化率进行控制的栅极驱动电路将是尤其有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分进行阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过实践本发明得知。
本公开的一个示例方面指向用于施加栅极电压给半导体开关设备的栅极的栅极驱动电路。栅极驱动电路包含提供用于操作半导体开关设备的一个或多个 电压命令的栅极驱动控制器，耦合在栅极驱动控制器与半导体开关设备之间的多个初级栅极电阻，与各初级栅极电阻串联连接的初级晶体管，以及与初级栅极电阻并联连接的一个或多个次级晶体管。进一步的，初级或次级晶体管中的一个从栅极驱动控制器接收一个或多个电压命令并提供一个或多个对应的电压电平给半导体开关设备以控制半导体开关设备的导通-关断行为。
在一个实施例中，栅极驱动电路进一步包括与初级栅极电阻并联连接一个或多个次级栅极电阻。在另一实施例中，至少一个次级晶体管与各次级栅极电阻串联连接。
在进一步的实施例中，半导体开关设备为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。从而，在特定的实施例中，IGBT可被配置为具有风力驱动发电系统的功率变换器的桥电路。在另一实施例中，初级和次级晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在特定实施例中，栅极驱动电路进一步包含与次级MOSFET串联连接的至少一个二极管。
在其它实施例中，电压电平包括被配置为经由第一初级栅极电阻导通半导体开关设备的第一电压，第一电压大于半导体开关设备的阈值电压。在另一实施例中，电压电平可包括被配置为经由第二初级栅极电阻关断半导体开关设备的第二电压，第二电压小于阈值电压。
在又一实施例中，在半导体开关设备关断期间，栅极驱动控制器可被配置为经由第二次级栅极电阻给半导体开关设备的栅极施加第一关断周期的第三电压，第三电压小于第一电压但大于第二电压。在进一步的实施例中，栅极驱动控制器被进一步配置为经由第四次级栅极电阻给半导体开关设备的栅极施加第二关断周期的第四电压，第四电压小于第三电压但大于第二电压。
在又一实施例中，在半导体开关设备导通期间，栅极驱动控制器被进一步配置为经由第三次级栅极电阻给半导体开关设备的栅极施加第一导通周期的第四电压，第四电压小于第三电压但大于第二电压。在进一步的实施例中，栅极驱动控制器进一步被配置为经由第一次级栅极电阻给半导体开关设备的栅极施加第二导通周期的第三电压，第三电压小于第一电压但大于第二电压。
在另一方面，本公开指向用在电力系统的电力变换器中的桥电路。桥电路包含具有栅极、集电极和发射极的第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)，与第一IGBT串联耦合的第二IGBT，与第一IGBT并联耦合的二极管，以及被配置为施加电 压给第一IGBT的栅极的栅极驱动电路。此外，栅极驱动电路包括提供用于操作第一IGBT的一个或多个电压命令的栅极驱动控制器，耦合在栅极驱动控制器与第一IGBT之间的多个初级栅极电阻，与初级栅极电阻并联连接的一个或多个次级栅极电阻，与各初级栅极电阻串联连接的初级晶体管，以及与各次级栅极电阻串联连接的次级晶体管。此外，初级或次级晶体管中的一个从栅极驱动控制器接收一个或多个电压命令并经由初级或次级栅极电阻中的一个提供一个或多个对应的电压电平给半导体开关设备以控制半导体开关设备的导通-关断行为。
在又一方面，本公开指向对用在风力驱动发电系统的电力变换器中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)进行栅极驱动的方法。该方法包括经由第一初级栅极电阻施加第一电压给IGBT的栅极以导通IGBT，第一电压大于IGBT的阈值电压。另一步骤包括接收关断信号以关断IGBT。在IGBT关断期间，该方法进一步包括经由多个次级栅极电阻施加接近阈值电压的一个或多个中间电压来以小信号方式控制IGBT。该方法还包括在接收关断信号之后经由第二初级栅极电阻施加第二电压给IGBT的栅极以关断IGBT，第二电压小于阈值电压。接着，该方法还可包括接收导通信号以导通IGBT。这样，在IGBT导通期间，该方法还可包括经由一个或多个次级栅极电阻以相反的顺序施加一个或多个中间电压来以小信号方式控制IGBT。
本公开的示例包括：
示例1.用于施加栅极电压给半导体开关设备(100)的栅极(212)的栅极驱动电路(300)，该栅极驱动电路(300)包括：
提供用于操作半导体开关设备(100)的一个或多个电压命令的栅极驱动控制器(310)；
耦合在栅极驱动控制器(310)与半导体开关设备(100)之间的多个初级栅极电阻(312，314)；
与各初级栅极电阻(312，314)串联连接的初级晶体管(324，325)；以及
与初级栅极电阻(312，314)并联连接的一个或多个次级晶体管(326，327，328，329)，
其中初级或次级晶体管(324，325，326，327，328，329)中的一个从栅极驱动控制器(310)接收一个或多个电压命令并提供一个或多个对应的电压电 平给半导体开关设备(100)以控制半导体开关设备(100)的导通-关断行为。
示例2.如示例1所述的栅极驱动电路(300)，进一步包括与初级栅极电阻(312，314)并联连接的一个或多个次级栅极电阻(315，316，317，318)。
示例3.如示例2所述的栅极驱动电路(300)，其中至少一个次级晶体管(315，316，317，318)与各次级栅极电阻(326，327，328，329)串联连接。
示例4.如示例1所述的栅极驱动电路(300)，其中半导体开关设备(100)包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
示例5.如示例4所述的栅极驱动电路(300)，其中IGBT被配置为具有风力驱动发电系统的功率变换器的桥电路(200)。
示例6.如示例1所述的栅极驱动电路(300)，其中初级和次级晶体管(324，325，326，327，328，329)包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
示例7.如示例6所述的栅极驱动电路(300)，进一步包括与次级MOSFET(324，325，326，327，328，329)串联连接的至少一个二极管(330，332，334，336)。
示例8.如示例1所述的栅极驱动电路(300)，其中对应的电压电平至少包括第一电压和第二电压，第一电压被配置为经由第一初级栅极电阻(312)导通半导体开关设备(100)，第一电压大于半导体开关设备(100)的阈值电压，第二电压被配置为经由第二初级栅极电阻(314)关断半导体开关设备(100)，第二电压小于阈值电压。
示例9.如示例8所述的栅极驱动电路(300)，其中在半导体开关设备(100)关断期间，栅极驱动控制器(310)进一步被配置为经由第二次级栅极电阻(316)给半导体开关设备(100)的栅极施加第一关断周期的第三电压，第三电压小于第一电压但大于第二电压。
示例10.如示例9所述的栅极驱动电路(300)，其中栅极驱动控制器(310)被进一步配置为经由第四次级栅极电阻(318)给半导体开关设备(100)的栅极施加第二关断周期的第四电压，第四电压小于第三电压但大于第二电压。
示例11.如示例10所述的栅极驱动电路(300)，其中在半导体开关设备(100)导通期间，栅极驱动控制器(310)被进一步配置为经由第三次级栅极电阻(317)给半导体开关设备(100)的栅极施加第一导通周期的第四电压，第四电压小于第三电压但大于第二电压。
示例12.如示例11所述的栅极驱动电路(300)，其中栅极驱动控制器(310)进一步被配置为经由第一次级栅极电阻(315)给半导体开关设备(100)的栅极施加第二导通周期的第三电压，第三电压小于第一电压但大于第二电压。
示例13.一种用在电力系统的电力变换器中的桥电路(200)，该桥电路(200)包括：
具有栅极(212)、集电极(214)和发射极(216)的第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)(210)；
与第一IGBT(210)串联耦合的第二IGBT(220)；
与第一IGBT(210)并联耦合的二极管(215)；
被配置为施加电压给第一IGBT(210)的栅极(212)的栅极驱动电路(300)，栅极驱动电路(300)包括：
提供用于操作第一IGBT(210)的一个或多个电压命令的栅极驱动控制器(310)；
耦合在栅极驱动控制器(310)与第一IGBT(210)之间的多个初级栅极电阻(312，314)；
与初级栅极电阻(312，314)并联连接的一个或多个次级栅极电阻(315，316，317，318)；
与各初级栅极电阻(312，314)串联连接的初级晶体管(324，325)；以及，
与各次级栅极电阻(315，316，317，318)串联连接的次级晶体管(326，327，328，329)，
其中初级或次级晶体管(324，325，326，327，328，329)中的一个从栅极驱动控制器(310)接收一个或多个电压命令并经由初级或次级栅极电阻(321，314，315，316，317，318)中的一个提供一个或多个对应的电压电平给半导体开关设备(100)以控制半导体开关设备(100)的导通-关断行为。
示例14.如示例13所述的栅极驱动电路(300)，其中初级和次级晶体管(324，325，326，327，328，329)包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中栅极驱动电路(300)进一步包括与次级MOSFET(324，325，326，327，328，329)串联连接的至少一个二极管(330，332，334，336)。
示例15.一种对用在风力驱动发电系统的电力变换器中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)(210)进行栅极驱动的方法(900)，该方法(900)包括：
经由第一初级栅极电阻(312)施加第一电压给IGBT(210)的栅极(212)以导通IGBT(210)，第一电压大于IGBT(210)的阈值电压；
接收关断信号以关断IGBT(210)；以及，
在接收关断信号之后，经由第二初级栅极电阻(314)施加第二电压给IGBT(210)的栅极以关断IGBT(210)，第二电压小于阈值电压；
其中在IGBT(210)关断期间，该方法进一步包括经由多个次级栅极电阻(315，316，317，318)施加接近阈值电压的一个或多个中间电压来以小信号方式控制IGBT(210)，以及
其中在IGBT(210)关断期间，该方法进一步包括经由一个或多个次级栅极电阻(315，316，317，318)以相反的顺序施加一个或多个中间电压来以小信号方式控制IGBT(210)。
可对本公开的这些示例方面进行改变和更改。
参考下面的描述和所附权利要求将能够更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
包括本发明的最佳模式、针对本领域技术人员的本发明的完全和实现用的公开在该说明书中阐述，其参照附图，其中：
图1示出根据传统构造的栅极驱动电路的一个实施例；
图2示出示例IGBT结构；
图3示出根据本公开的桥电路的一个实施例；
图4示出根据本公开的用于IGBT的栅极驱动电路的一个实施例；
图5示出根据本公开的栅极驱动波形的一个实施例，栅极驱动波形可在关断模式期间被施加给栅极驱动控制器；
图6示出了根据本公开的栅极驱动波形的一个实施例，栅极驱动波形可在导通模式期间被施加给栅极驱动控制器；
图7和8示出了根据本公开一个实施例的用于IGBT的示例栅极驱动电路的仿真结果；以及
图9示出了用在风力驱动发电系统的功率变换器中的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的门控方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中图示。每个示例通过本发明的说明而非本发明的限制提供。实际上，各种修改和变化可以在本发明中做出而不偏离本发明的范围或精神对于本领域技术人员来说将是明显的。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征可以与另一个实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本发明意在涵盖落入所附权利要求及其等同物范围内的此类修改和变化。
一般来说，本公开的示例方面针对用于驱动如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的半导体开关设备的高性能栅极驱动电路。更具体地说，在一个实施例中，根据本公开的方面的栅极驱动电路包括提供用于操作IGBT的一个或多个电压命令的栅极驱动控制器。该栅极驱动电路还包括耦合在栅极驱动控制器和IGBT之间的多个初级栅极电阻以及与初级栅极电阻并联连接的一个或多个可选次级栅极电阻。进一步的，栅极驱动电路包括与各初级栅极电阻串联连接的初级晶体管以及与各次级栅极电阻串联连接的次级晶体管。从而，初级或次级晶体管中的一个经由初级或次级栅极电阻中的一个接收来自栅极驱动控制器的电压命令并提供一个或多个对应的电压电平给IGBT以对IGBT的导通-关断行为进行控制。
从而，本公开的栅极驱动电路可以在IGBT的关断和导通期间提供对集电极-发射极电压的电压变化率(dv/dt)和/或集电极电流变化率(di/dt)的改进控制。其结果就是，通过使用栅极电阻的较低值，本公开的栅极驱动电路具有更快的切换时间和减小的开关损耗。本公开参考驱动IGBT进行描述以用于论述和讨论。本领域技术人员通过使用本文所提供的公开可以理解，本公开的特定方面也可应用于其它半导体开关设备。
根据本公开实施例的示例高性能栅极驱动电路能够将施加给IGBT栅极的栅极电压控制到处于IGBT栅极“导通”电压和栅极“关断”电压之间的一个或多个中间电压。例如，只要IGBT的集电极电流不为零，就可以由栅极驱动电路施加中间电压电平。
根据本公开的特定方面，IGBT的栅极-发射极电压在IGBT关断和导通期间可以被控制为小信号方式。更具体地说，栅极-发射极电压可以略小于阈值电压，从而从经过密勒电容的dv/dt产生的电流使得IGBT自身处的栅极电压接近 阈值电压。当在导通和/或关断期间以小信号方式控制IGBT时，IGBT可以是用于与IGBT并联耦合的续流二极管的有效缓冲电路，其在物理上非常靠近IGBT。
现在将参考施加第一电压、第二电压、第三电压和第四电压给IGBT栅极来讨论本公开的方面。术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的使用用于区分电压电平，其并不用于表示施加给IGBT栅极的电压的幅值或顺序。
更具体地说，根据本公开示例实施例的栅极驱动电路的栅极驱动控制器被配置为施加高于IGBT阈值电压的第一电压至IGBT的栅极以导通IGBT和施加低于IGBT阈值电压的第二电压至IGBT的栅极以关断IGBT。第二电压可以是施加至IGBT栅极的所有电压中最小的电压。当将第一电压或第二电压施加至IGBT的栅极时，IGBT以大信号方式工作，从而有效导致IGBT在施加第一电压期间完全导通或在施加第二电压期间完全关断。
在IGBT关断期间，可以以小信号方式对IGBT进行控制，从而使得IGBT的栅极-发射极电压接近阈值电压。更具体地说，可以由栅极驱动控制器施加第三电压给IGBT的栅极以在第一关断周期期间控制集电极-发射极电压的dv/dt和集电极电流的di/dt。第三电压可以是小于第一电压且大于第二电压的正电压。
此外，在接着第一关断周期的第二关断周期期间可以将第四电压施加至IGBT栅极。第四电压可以小于第三电压且大于第二电压。第二关断周期可对应于与IGBT并联耦合的续流二极管的反向恢复周期。第四电压可在反向恢复期间为二极管提供保护。例如，第四电压可被施加以保护二极管不受由二极管“阶跃”行为导致的瞬时反向电压的损害。可以将第四电压设定为允许集电极-发射极电压的正常二极管dv/dt加上裕度，从而使得仅仅在“阶跃”期间发生的高dv/dt受到IGBT中密勒电容的反馈环的限制。类似的，在IGBT导通期间，IGBT还可以小信号方式进行控制，从而使得IGBT的栅极-发射极电压接近阈值电压。
现在参见图3-9，现在将对本公开的示例实施例进行详细描述。图3示出了可用于例如风力驱动发电系统的电力变换器中的桥电路200的示例。从而，在系统层面，本公开的桥电路能够提供增大的变换器和/或系统效率和/或可靠性、增大的用于电力变换器和/或系统的电力输出、和/或增大的IGBT结温裕度。由此，本公开的桥/栅极驱动电路能够操作通过线电压瞬态而不发生跳闸或故障，从而提供了更好的风力驱动发电系统的穿越能力。
如图所示，桥电路200包含第一IGBT 210(如“上”IGBT)和第二IGBT 220(如“下”IGBT)。第一IGBT 210可包括栅极212、集电极214和发射极216。类似的，第二IGBT 220可包括栅极222、集电极224和发射极226。第一续流二极管215可与第一IGBT 210并联耦合。第二续流二极管225可与第二IGBT 220并联耦合。第一续流二极管215和第二续流二极管225可在从导通状态切换至阻断状态时呈现出反向恢复特性。更具体地说，当从导通状态切换至阻断状态时，大的电流可在反向方向上短时间流经二极管直至反向恢复电荷耗尽。
桥电路200还可包括栅极驱动电路300。栅极驱动电路300可控制第一IGBT 210和第二IGBT 220的各自栅极的栅极-发射极电压以控制第一IGBT 210和第二IGBT 220的切换。例如，栅极驱动电路300可提供脉冲宽度调制(PWM)命令给第一IGBT 210和第二IGBT220来将桥电路200的输入230处的交流功率转换为直流功率或者相反。
图4描绘了根据本公开示例实施例的示例栅极驱动电路300。将参考控制第一IGBT210栅极-发射极电压来描述栅极驱动电路300。栅极驱动电路300可被配置为控制例如图3所示第二IGBT 220的其它IGBT的栅极-发射极电压。如图所示，栅极驱动电路300包括栅极驱动控制器310，其被配置为经由栅极电阻312，314，315，316，317，318中的一个提供一个或多个电压命令给IGBT 210的栅极212以控制IGBT 210的操作。此外，栅极驱动控制器310可包括一个或多个控制设备或电路，如一个或多个控制器、微处理器、逻辑设备、存储器单元、微控制器或其它控制设备。此外，栅极驱动电路310可从其它系统控制器接收命令(如PWM命令)或栅极信号，其它系统控制器例如是使用了栅极驱动电路300的用于发电系统的控制器。
在一个示例实施例中，栅极驱动控制器310可包括一个或多个处理器以及一个或多个计算机可读介质。该一个或多个处理器可被配置为执行存储在一个或多个计算机可读介质中的计算机可读指令来使得栅极驱动控制器310执行操作，如根据本公开的示例方面施加电压电平给IGBT 210的栅极212。
更具体地说，如图4中所示，栅极驱动电路300可包括耦合在栅极驱动控制器310与IGBT 210之间的多个初级晶体管324，325以及与各初级晶体管324，325串联连接的多个初级栅极电阻312，314。另外，栅极驱动电路300可包括与初级栅极电阻312，314并联连接的一个或多个次级晶体管(如326，327，328， 329)。从而，在特定实施例中，栅极驱动电路300还可以可选的包括与各次级晶体管326，327，328，329串联连接并与初级栅极电阻312，314并联连接的一个或多个次级栅极电阻315，316，317，318。
应当明白，初级和次级晶体管324，325，326，327，328，329可以是现有技术中已知的任意适合的晶体管。例如，在特定实施例中，晶体管324，325，326，327，328，329可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。从而，如图所示，次级MOSFET 326，327，328，329中的每一个可包括与其串联连接的至少一个二极管330，332，334，336，这是因为MOSFET 326，327，328，329通常在反向方向导通电流。从而，初级或次级晶体管324，325，326，327，328，329中的一个被配置为从栅极驱动控制器310接收电压命令(如V1_ON，V2_OFF，V3_ON，V3_OFF，V4_ON和V4_OFF)并经由初级或次级栅极电阻312，314，315，316，317，318中的一个提供相应的电压电平给IGBT 210以控制IGBT 210的导通-关断行为。
根据本公开的特别方面，栅极驱动控制器310可经由初级或次级栅极电阻312，314，315，316，317，318提供四个不同的电压电平给IGBT 210的栅极212。这四个不同的电压电平对应于IGBT 210的不同操作模式。例如，第一操作模式可以是IGBT 210的“IGBT ON”操作模式。更具体地说，如图4中所示，电压电平之一可包括被配置为经由第一初级栅极电阻312导通IGBT 210的第一电压(如V1)。IGBT ON模式可对应于当IGBT 210导通从而电流流经IGBT 210的集电极214和发射极216的时间周期。这样，在IGBT ON模式期间，栅极驱动控制器310可发送电压命令(如V1_ON)给第一初级晶体管324，从而第一电压V1被以大信号的方式施加给IGBT 210的栅极212。第一电压V1可充分大于IGBT 210的阈值电压，从而IGBT 210完全导通。例如，第一电压V1可以在约10V到约15V的范围内，例如为约15V。如此处所使用的，与特定值相关使用的术语“约”意在指在特定值的20％内。
第二操作模式可以是IGBT 210的“IGBT OFF”操作模式。更具体地说，如图4中所示，电压电平之一可包括被配置为经由第二初级栅极电阻314关断IGBT 210的第二电压(如V2)。IGBT OFF模式可对应于当IGBT 210关断从而流经IGBT 210的集电极214和发射极216的电流受限的时间周期。在IGBT OFF模式期间，栅极驱动控制器310可发送电压命令(如V2_OFF)给第二初级晶 体管325，从而第二电压(如V2)被以大信号的方式施加给IGBT 210的栅极212。第二电压V2可充分小于IGBT 210的阈值电压，从而IGBT完全关断。例如，第二电压V2可以在约-2V到约-9V的范围内，例如为约-9V。
在IGBT 210的关断期间(如从IGBT ON模式到IGBT OFF模式的过渡)，栅极驱动控制器310可以通过控制IGBT 210的栅极-发射极电压接近阈值电压来以小信号方式控制IGBT 210。更具体地说，栅极驱动控制器310可以使IGBT 210在“IGBT关断”模式工作第一关断时间周期。例如，如图4中所示，栅极驱动控制器310可被配置为发送电压命令(如V3_OFF)给第二次级晶体管327。第二次级晶体管327随后可经由第二次级栅极电阻316提供对应的电压电平V3给IGBT 210。第三电压(如V3)可以是接近阈值电压的电压来以小信号的方式控制IGBT 210，例如是小于第一电压并大于第二电压的正电压(如大于0V的电压)。例如，第三电压可以是在约0V到约8V的范围内，例如为约6V。栅极驱动控制器310可以使得IGBT 210工作在IGBT关断模式，此时非零集电极电流Ic流经IGBT 210的集电极214以在关断期间降低集电极-发射极电压VCE的dv/dt。dv/dt的降低可限制集电极-发射极电压VCE中的电压峰值。
在第一关断周期之后，栅极驱动控制器310可过渡为使得IGBT 210在“二极管恢复”模式工作第二关断时间周期。二极管恢复模式可对应于与IGBT 210(图3)并联耦合的续流二极管215的二极管反向恢复时间周期。在二极管恢复模式期间，栅极驱动控制器310可被配置为发送电压命令(如V4_OFF)给第四次级晶体管329。第四次级晶体管329随后可经由第四次级栅极电阻318提供相应的电压电平(如V4)给IGBT210。第四电压可以是接近IGBT210阈值电压的电压来以小信号方式控制IGBT 210，如小于第三电压并大于第二电压的正电压(如大于0V的电压)。例如，第四电压可以是在约1V到约5V的范围内，例如约为1V。第四电压可被施加足够续流二极管215耗尽其反向恢复电荷的时间，当续流二极管215耗尽其反向恢复电荷时栅极驱动控制器310可施加第二电压以使得IGBT 210工作在IGBT OFF模式。
在IGBT 210的导通期间(如从IGBT OFF模式到IGBT ON模式的过渡)，栅极驱动控制器310也可通过控制IGBT 210的栅极-发射极电压接近阈值电压来以小信号方式控制IGBT 210。更具体地说，栅极驱动控制器310可例如通过连续发送一个或多个中间电压命令(如V4_ON和V3_ON)给第三次级晶体管 328并随后给第一次级晶体管326来使得IGBT 210工作在“IGBT导通”模式。例如，作为第一步，栅极驱动控制器310可提供电压命令(如V4_ON)给第三次级晶体管328。第三次级晶体管328随后可经由第三次级栅极电阻317提供相应的电压电平(如V4)给IGBT 210。如同所述，电压V4可以接近阈值电压来以小信号方式控制IGBT210，例如是小于第三电压并大于第二电压的正电压。例如，如同所述，电压V4可以是在约1V到约5V的范围内，例如约为1V。其次，栅极驱动控制器310可提供另一电压命令(如V3_ON)给第一次级晶体管326。第一次级晶体管326随后可经由第一次级栅极电阻315提供相应的电压电平(如V3)给IGBT 210。图6示出了在IGBT ON模式期间IGBT 210的栅极-发射极电压(VGE)510和对应的集电极-发射极电压(VCE)520的一个实施例。
图5描绘了在IGBT 210的关断期间由栅极驱动控制器310施加的电压波形410的图示。波形410表示由栅极驱动控制器310施加给IGBT 210的栅极212的电压。如图所示，从时刻t0到时刻t1，栅极驱动控制器310可施加第一电压(如V1)以使IGBT 210工作在IGBT ON模式。在时刻t3之后栅极驱动控制器310可施加第二电压(如V2)以使IGBT 210工作在IGBTOFF模式。在IGBT ON模式和IGBT OFF模式之间，栅极驱动控制器310可施加第三电压(如V3)给IGBT 210的栅极212以使IGBT 210在从时刻t1到时刻t2的第一关断周期工作在IGBT关断模式。在第一关断周期之后，栅极驱动控制器310可施加第四电压(如V4)给IGBT 210的栅极212以使IGBT 210在时刻t2到时刻t3的第二关断周期工作在二极管恢复模式。
图5进一步描绘了根据波形410驱动IGBT 210而导致的集电极-发射极电压(VCE)的两种情况。波形420代表对于在IGBT 210中流动的电流(正向集电极电流IC)的VCE。波形430代表对于在并联耦合IGBT 210的续流二极管215中流动的电流(反向集电极电流IC)的VCE。从对应IGBT关断模式的第一关断周期到对应二极管恢复模式的第二关断周期的转换发生在转换时刻t2。转换时刻t2可对应于开始发生二极管反向恢复的时刻。例如，在图3描绘的示例桥电路200中，当桥电路200中的另一IGBT导通时转换时刻t2将发生。例如，如果续流二极管215正在导通，则当第二IGBT 220导通时转换时刻t2将发生。如果续流二极管225正在导通，则当第一IGBT 210导通时转换时刻t2将发生。
在一个示例实施例中，栅极驱动控制器310可被配置为在预定时刻从第一 关断周期转换为第二关断周期。更具体地说，IGBT关断模式的周期时长可以是基于IGBT 210的最长关断时间确定的固定值。转换时刻t2可以是基于IGBT关断模式周期时长的预定值。二极管恢复模式的周期时长也可以是基于并联耦合IGBT 210的续流二极管215的反向恢复的最长周期确定的固定值。
在其它示例实施例中，对应IGBT关断模式的第一关断周期的时长和对应二极管恢复模式的第二关断周期的时长可基于监测到的系统参数来确定。例如，栅极驱动控制器310可被配置为至少部分基于指示桥电路200中另一IGBT 220正被导通的信号来从第一关断周期转换为第二关断周期。
作为另一示例，第一关断周期的时长和第二关断周期的时长可由栅极驱动控制器310至少部分地基于IGBT 210的集电极电流Ic来进行控制。例如，栅极驱动控制器310可使用适合的电流传感器来监测集电极电流IC。栅极驱动控制器310可被配置为施加第三电压特定的时间周期，而集电极电流Ic不为零。栅极驱动控制器310可被配置为至少部分基于集电极电流Ic的方向(如集电极电流是正的还是负的)来从第一关断周期转换为第二关断周期。栅极驱动控制器310可基于例如温度、集电极电流、DC母线电压、集电极电流的di/dt、集电极-发射极电压的dv/dt和其它适合实施方式的其它适合的监测参数来控制IGBT 210的栅极-发射极电压。
在又一示例中，第三电压和第四电压间的转换可至少部分由于由IGBT 210的关断dv/dt完成所导致的密勒稳态(plateau)电流终止而发生。更具体地说，在IGBT 210关断期间。更具体地说，可在施加第三电压的晶体管关断期间引出由IGBT 210的dv/dt导致的密勒稳态电流。当IGBT 210的dv/dt完成时，密勒稳态电压不再能够馈电给IGBT 210的栅极，从而导致转换到第四电压。在密勒稳态电压能够在栅极阈值电压附近接收和输出电流时，其能够用于产生第三或第四电压。
图7和8描绘了根据本公开一实施例的用于IGBT的示例栅极驱动电路的仿真结果。波形610描绘了由示例栅极驱动控制器施加给IGBT栅极的电压。如图所示，栅极驱动控制器可在IGBT导通时施加约15V的电压，为第一关断周期施加约6V的电压，为第二关断周期施加约1V的电压，以及在IGBT关断时施加约-9V的电压。
图7的波形620描绘了与关断期间正向流动的集电极电流(如IGBT中的 电流)相关的集电极-发射极电压VCE。图7的波形630描绘了对于正向流动的集电极电流的集电极电流IC。图8的波形640描绘了与关断期间反向流动的集电极电流(如续流二极管中的电流)相关的集电极-发射极电压VCE。图8的波形650描绘了对于反向流动的集电极电流的集电极电流IC。如同所述，当集电极电流达到约零时，栅极驱动控制器从施加6V的第一关断周期转换为施加1V以用于二极管反向恢复的第二关断周期。集电极-发射极电压呈现出良好的dv/dt特性，并且没有显著的过电压情形。集电极电流Ic在第一和第二关断周期期间呈现出良好的di/dt特性。
现在参见图9，示出了用在风力驱动发电系统的功率变换器中的IGBT栅极驱动方法900的一个实施例的流程图。如在902处所示，方法900包括经由第一初级栅极电阻施加第一电压给IGBT的栅极以导通IGBT，第一电压大于IGBT的阈值电压。在904处，方法900包括接收关断信号以关断IGBT。在IGBT关断期间，方法900进一步包括经由多个次级栅极电阻施加接近阈值电压的一个或多个中间电压来以小信号方式控制IGBT(步骤906)。在908处，方法900还包括经由第二初级栅极电阻施加第二电压给IGBT的栅极以关断IGBT，第二电压小于阈值电压。随后，方法900还可包括接收导通信号以导通IGBT(步骤910)。从而，在IGBT导通期间，方法900还可包括经由一个或多个次级栅极电阻以相反顺序施加该一个或多个中间电压来以小信号方式控制IGBT(步骤912)。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言没有实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
附图标记 部件
10 栅极驱动电路
12 IGBT
14 场效应晶体管
16 场效应晶体管
18 栅极电阻
20 栅极电阻
22 栅极驱动控制器
100 IGBT结构
110 栅极
120 集电极
130 发射极
135 漂移区
140 沟道
150 栅极氧化层
200 桥电路
210 第一IGBT
212 栅极
214 集电极
215 第一续流二极管
216 发射极
220 第二IGBT
222 栅极
224 集电极
225 第二续流二极管
226 发射极
230 输入
300 栅极驱动电路
310 栅极驱动控制器
312 第一初级栅极电阻
314 第二初级栅极电阻
315 第一次级栅极电阻
316 第二次级栅极电阻
317 第三次级栅极电阻
318 第四次级栅极电阻
320 无源反馈网络
321 体二极管
322 电压命令
324 第一初级栅极晶体管
325 第二初级栅极晶体管
326 第一次级栅极晶体管
327 第二次级栅极晶体管
328 第三次级栅极晶体管
329 第四次级栅极晶体管
330 二极管
332 二极管
334 二极管
336 二极管
410 电压波形
420 波形
430 波形
510 电压波形
520 波形
610 波形
620 波形
630 波形
640 波形
650 波形
900 方法
902 方法步骤
904 方法步骤
906 方法步骤
908 方法步骤

Claims (19)

1.用于施加栅极电压给半导体开关设备的栅极的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括：
提供用于操作所述半导体开关设备的一个或多个电压命令的栅极驱动控制器；
耦合在所述栅极驱动控制器与所述半导体开关设备之间的多个初级栅极电阻；
与各个所述初级栅极电阻串联连接的初级晶体管；以及
与所述初级栅极电阻并联连接的一个或多个次级晶体管，
其中所述初级或次级晶体管中的一个从所述栅极驱动控制器接收所述一个或多个电压命令并提供一个或多个对应的电压电平给所述半导体开关设备以控制所述半导体开关设备的导通-关断行为。
2.如权利要求1所述的栅极驱动电路，进一步包括与所述初级栅极电阻并联连接的一个或多个次级栅极电阻。
3.如权利要求2所述的栅极驱动电路，其中至少一个次级晶体管与各个所述次级栅极电阻串联连接。
4.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其中所述半导体开关设备包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
5.如权利要求4所述的栅极驱动电路，其中所述IGBT被配置为具有风力驱动发电系统的功率变换器的桥电路。
6.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其中所述初级和次级晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
7.如权利要求6所述的栅极驱动电路，进一步包括与次级MOSFET串联连接的至少一个二极管。
8.如权利要求1所述的栅极驱动电路，其中对应的电压电平至少包括第一电压和第二电压，所述第一电压被配置为经由第一初级栅极电阻导通所述半导体开关设备，所述第一电压大于所述半导体开关设备的阈值电压，所述第二电压被配置为经由第二初级栅极电阻关断所述半导体开关设备，所述第二电压小于所述阈值电压。
9.如权利要求8所述的栅极驱动电路，其中在所述半导体开关设备的关断期间，所述栅极驱动控制器进一步被配置为经由第二次级栅极电阻给所述半导体开关设备的所述栅极施加第一关断周期的第三电压，所述第三电压小于所述第一电压但大于所述第二电压。
10.如权利要求9所述的栅极驱动电路，其中所述栅极驱动控制器被进一步配置为经由第四次级栅极电阻给所述半导体开关设备的所述栅极施加第二关断周期的第四电压，所述第四电压小于所述第三电压但大于所述第二电压。
11.如权利要求10所述的栅极驱动电路，其中在所述半导体开关设备导通期间，所述栅极驱动控制器被进一步配置为经由第三次级栅极电阻给所述半导体开关设备的所述栅极施加第一导通周期的第四电压，所述第四电压小于所述第三电压但大于所述第二电压。
12.如权利要求11所述的栅极驱动电路，其中所述栅极驱动控制器进一步被配置为经由第一次级栅极电阻给所述半导体开关设备的所述栅极施加第二导通周期的所述第三电压，所述第三电压小于所述第一电压但大于所述第二电压。
13.一种用在电力系统的电力变换器中的桥电路，所述桥电路包括：
具有栅极、集电极和发射极的第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)；
与所述第一IGBT串联耦合的第二IGBT；
与所述第一IGBT并联耦合的二极管；
被配置为施加电压给所述第一IGBT的所述栅极的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括：
提供用于操作所述第一IGBT的一个或多个电压命令的栅极驱动控制器；
耦合在所述栅极驱动控制器与所述第一IGBT之间的多个初级栅极电阻；
与初级栅极电阻并联连接的一个或多个次级栅极电阻；
与各个所述初级栅极电阻串联连接的初级晶体管；以及，
与各个所述次级栅极电阻串联连接的次级晶体管，
其中所述初级或次级晶体管中的一个从所述栅极驱动控制器接收所述一个或多个电压命令并经由所述初级或次级栅极电阻中的一个提供一个或多个对应的电压电平给所述半导体开关设备以控制所述半导体开关设备的导通-关断行为。
14.如权利要求13所述的桥电路，其中所述初级和次级晶体管包括金属氧 化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
15.如权利要求14所述的桥电路，进一步包括与所述次级MOSFET串联连接的至少一个二极管。
16.如权利要求13所述的桥电路，其中所述对应的电压电平至少包括第一电压和第二电压，所述第一电压被配置为经由第一初级栅极电阻导通所述第一IGBT，所述第一电压大于所述半导体开关设备的阈值电压，所述第二电压被配置为经由第二初级栅极电阻关断所述第一IGBT，所述第二电压小于所述阈值电压。
17.如权利要求16所述的桥电路，其中在所述第一IGBT关断期间，所述栅极驱动控制器进一步被配置为经由第二次级栅极电阻给所述第一IGBT的所述栅极施加第一关断周期的第三电压，所述第三电压小于所述第一电压但大于所述第二电压。
18.如权利要求17所述的桥电路，其中所述栅极驱动控制器被进一步配置为经由第四次级栅极电阻给所述第一IGBT的所述栅极施加第二关断周期的第四电压，所述第四电压小于所述第三电压但大于所述第二电压。
19.如权利要求18所述的桥电路，其中在所述第一IGBT导通期间，所述栅极驱动控制器被进一步配置为经由第三次级栅极电阻给所述第一IGBT的所述栅极施加第一导通周期的第四电压，所述第四电压小于所述第三电压但大于所述第二电压，并且其中所述栅极驱动控制器被进一步配置为经由第一次级栅极电阻给所述半导体开关设备的所述栅极施加第二导通周期的第三电压，所述第三电压小于所述第一电压但大于所述第二电压。
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