TW201703406A - 切換裝置及功率模組 - Google Patents

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TW201703406A
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power switch
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卡斯頓 芬克
克里斯多夫 德司特
安得烈 福克
麥可 洪坎普
馬丁 伍柏奇
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電源整合有限責任公司
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    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
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    • H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches

Abstract

本發明闡述利用複數個分配模式扼流圈來使複數個功率開關並聯並將該等功率開關耦合至一共同閘極驅動電路。一分配模式扼流圈耦合於該共同閘極驅動電路與各該功率開關之閘極之間。該分配扼流圈可被稱作具有二個繞組之一耦合電感器。任二個功率開關之間皆設置有一分配扼流圈。在一系統中，如此進行耦合有助於使複數個並聯功率開關之閘極電流實質上相等。此在具有各種功率範圍或額定值之各類應用中皆可得到一較佳效率。

Description

切換裝置及功率模組
本說明書是關於利用一或多個差動模式扼流圈(differential mode choke)分配驅動訊號來使複數個功率開關並聯。
功率開關是被設計成用於對相對高之電壓及電流進行切換之切換裝置。此等功率開關之實例包含絕緣閘雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor；IGBT)、金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor；MOSFET)、高電子遷移率電晶體(high-electron-mobility transistor；HEMT)等。此等功率開關通常是利用例如矽、碳化矽、氮化鎵或其他適合半導體材料等半導體材料製成。利用半導體製成之功率開關具有適以對此等電壓及電流進行切換之裝置特性。然而，甚至當個別功率開關具有相對有利之裝置特性時，個別功率開關亦經常不能夠滿足某些高功率應用之需求。
為解決此等需求，經常將多個功率開關組裝成模組。在此等模組中，複數個並聯功率開關可聯合用以對應用所需之電壓及電流進行切換。
在將不同功率開關作為一個別開關或作為組合於一功率模 組封裝內之複數個開關進行切換時，應仔細地予以協調。舉例而言，若一功率開關過早地開始切換成導通或過晚地完成切換成不導通，則皆可能由該功率開關或一相鄰功率開關傳導一過大電流。作為另一實例，若一功率開關之接通狀態阻抗相對低於其他並聯開關之接通狀態阻抗，則流經該較低阻抗功率開關之過量電流將會使該開關過熱，此可能使得模組損壞及/或出故障。即使某些功率半導體裝置具有一正溫度係數且隨著溫度升高而具有增大之阻抗，亦可能會產生此情形。
一類具有相對有利裝置特性之功率開關是絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。絕緣閘雙極電晶體是三端子半導體裝置，其通常包含具有交替導電類型之四個半導體材料區域。舉例而言，絕緣閘雙極電晶體可包含一n型射極區域、一p型本體、一n型漂移區域、及一p型射極注入區域。一絕緣閘雙極電晶體之三個端子通常被稱為閘極、射極及集極。
一絕緣閘雙極電晶體之集極與射極之間之電流傳導是受一絕緣閘結構(通常為一金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor；MOS)閘極)控制。若絕緣閘極下方之絕緣性是理想的，則將流入及流出絕緣閘極之僅有電流將成為會對閘極之洩漏電容或雜散電容充電及放電之電流。在甚至非理想絕緣閘雙極電晶體中，流入及流出一絕緣閘極之電流是既相對小又可變(例如，隨著溫度)的，且絕緣閘雙極電晶體通常被稱作「壓控(voltage-controlled)裝置」。此反映出了設計者之幾乎通用作法：設定閘極與射極之間之電壓而非流入及流出絕緣閘極之電流，以控制集極與射極之間之電流流動。然而，絕緣閘雙極電晶體之切換行為亦可歸因於閘極電流IG。
絕緣閘雙極電晶體通常可結合一絕緣閘極之高輸入阻抗而 提供相對小的正向傳導電壓降及大的載流能力。此時，在商業應用中通常使用絕緣閘雙極電晶體來對每模組超過高達6500伏之電壓及超過高達3600安之電流進行切換。絕緣閘雙極電晶體已用於各種應用中，例如風力發電及太陽能發電、感應加熱及感應焊接、交通運輸(例如，電動汽車及火車)、消費應用及工業應用。經常會將多個或單一絕緣閘雙極電晶體開關組裝至具有一單一閘極端子之絕緣閘雙極電晶體模組中。
本發明闡述用於利用一差動模式扼流圈(下文亦稱作分配扼流圈)來使複數個功率開關並聯之裝置、系統及方法。在以下說明中，陳述眾多特定細節以達成對各實施例之透徹理解。然而，熟習相關技術者將認識到，可在沒有該等特定細節其中之一或多者或具有其他方法、組件、材料等之情形下實施本文所述技術。在其他實例中，未詳細顯示或闡述眾所習知之結構、材料或操作，以避免使某些態樣模糊。
本說明書通篇所提及之「一實施例(one embodiment或an embodiment)」意指結合該實施例所述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一實施例中。因此，本說明書通篇各個地方所出現之片語「在一實施例中(in one embodiment或in an embodiment)」未必全部表示為同一實施例。此外，在一或多個實施例中，可以任一適合方式組合該等特定特徵、結構或特性。
特定特徵、結構或特性可包含於一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路、或其他提供所需功能之適合組件中。另外，應瞭解，隨本文一起提供之各圖是向本技術領域中具有通常知識者進行解釋起見，且附圖未必是按比例繪製。所揭露發明之教示內容在高功率應用中可以是更有益的，然而，並不僅限於高功率應用。所揭露發明可用於輸出功率處於 任一功率範圍內之應用中。在一實施方案中，一種裝置包含作為功率開關並聯耦合之複數個絕緣閘雙極電晶體。該實例性實施方案包含一閘極驅動器，該閘極驅動器被耦合成輸出一閘極驅動訊號，以驅動複數個絕緣閘雙極電晶體之閘極。應注意，在另一實施方案中，根據本發明之教示內容，亦可使用利用諸如矽、碳化矽、氮化鎵或其他適合半導體材料製成之任一其他類型之功率開關，例如，金屬氧化物半導體場效電晶體、高電子遷移率電晶體。因此，以下在本說明書中，術語絕緣閘雙極電晶體或功率開關可互換地使用。
如前所述，絕緣閘雙極電晶體具有三個端子，即，閘極、射極及集極。金屬氧化物半導體場效電晶體及高電子遷移率電晶體通常亦具有三個端子，即，閘極、源極及汲極。一絕緣閘雙極電晶體之閘極端子及集極端子類似於一金屬氧化物半導體場效電晶體或一高電子遷移率電晶體之閘極端子及汲極端子。一絕緣閘雙極電晶體之射極端子類似於一金屬氧化物半導體場效電晶體或一高電子遷移率電晶體之源極端子。由於所揭露發明一般而言可以是關於例如等金屬氧化物半導體場效電晶體或高電子遷移率電晶體等任一類型之功率開關，因此，以下在本說明書通篇中，術語「汲極」可與「集極」互換，且術語「射極」可與「源極」互換。
本發明闡述利用複數個分配模式扼流圈來使複數個功率開關並聯並將該等功率開關耦合至一共同閘極驅動電路。如後面將論述，一分配模式扼流圈耦合於該共同閘極驅動電路與各該功率開關之閘極之間。該分配扼流圈可被稱作具有二個繞組之一耦合電感器。任二個功率開關之間皆設置有一分配扼流圈。如後面將解釋，在一系統中，如此進行耦合有助於使複數個並聯功率開關之閘極電流實質上相等。此在具有各種功率範 圍或額定值之各類應用中皆可得到一較佳效率。
100‧‧‧系統
120‧‧‧功率開關Q1/絕緣閘雙極電晶體Q1
122‧‧‧閘極驅動器
124‧‧‧閘極驅動電壓輸出端
125‧‧‧功率開關Q2/絕緣閘雙極電晶體Q2
127‧‧‧閘極驅動電壓VD
135‧‧‧閘極驅動訊號導體
140‧‧‧閘極驅動訊號導體
145‧‧‧閘極電阻器R1
150‧‧‧控制端子/閘極
151‧‧‧電壓VG1
165‧‧‧閘極電阻器R3
170‧‧‧控制端子/閘極
171‧‧‧電壓VG2
192‧‧‧電阻器R2
193‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
194‧‧‧電阻器R4
195‧‧‧閘極回路電壓VDD
197‧‧‧射極回路電壓VEE/負電源軌電壓VEE
200A‧‧‧系統
200B‧‧‧系統
205‧‧‧分配扼流圈
207‧‧‧第一繞組
209‧‧‧第二繞組
220‧‧‧功率開關Q1/絕緣閘雙極電晶體Q1
222‧‧‧絕緣閘雙極電晶體驅動器
224‧‧‧閘極驅動訊號輸出端
225‧‧‧功率開關Q2/絕緣閘雙極電晶體Q2
227‧‧‧共同閘極驅動訊號SD
235‧‧‧閘極驅動訊號導體
240‧‧‧閘極驅動訊號導體
242‧‧‧電流IG1
244‧‧‧電流IG2
245‧‧‧閘極電阻器R1
250‧‧‧閘極
251‧‧‧電壓VG1
262‧‧‧導體/傳導路徑
265‧‧‧閘極電阻器R3
270‧‧‧閘極
271‧‧‧電壓VG2
272‧‧‧導體
277‧‧‧節點
282‧‧‧導體
292‧‧‧電阻器R2/回路電阻器R2
293‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
294‧‧‧電阻器R4/回路電阻器R4
295‧‧‧電壓VDD/閘極驅動器回路
297‧‧‧射極回路電壓VEE/負電源軌電壓VEE
300A~300H‧‧‧示波器擷取畫面
310‧‧‧x軸線
315‧‧‧y軸線
320‧‧‧在自接通狀態轉變至關斷狀態期間一對功率開關其中之第一者之閘極與射極之間之電位差VGE1跡線
322‧‧‧在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對功率開關其中之第二者之閘極與射極之間之電位差VGE2跡線
325‧‧‧在自接通狀態轉變至關斷狀態期間一對功率開關其中之第一者之閘極電流IG1跡線
327‧‧‧在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對功率開關其中之第二者之閘極電流IG2跡線
330‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間一對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之集極(汲極)與射極(源極)之間之電位差VCE1跡線
332‧‧‧在自導通性較高接通狀態切換至導通性較低關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之集極(汲極)與射極(源極)之間之電位差VCE2跡線
335‧‧‧在自接通狀態轉變至關斷狀態期間一對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之射極電流IE1跡線
337‧‧‧在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電 晶體其中之第二者之射極電流IE2跡線
350‧‧‧x軸線
355‧‧‧y軸線
360‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間一對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之閘極與射極之間之電位差VGE1跡線
362‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之閘極與射極之間之電位差VGE2跡線
365‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間一對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之閘極電流IG1跡線
367‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之閘極電流IG2跡線
370‧‧‧在自導通性較高接通狀態切換至導通性較低關斷狀態期間一對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之集極與射極之間之電位差VCE1跡線
372‧‧‧在自導通性較高接通狀態切換至導通性較低關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之集極與射極之間之電位差VCE2跡線
375‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間一對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之射極電流IE1跡線
377‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之射極電流IE2跡線
400‧‧‧系統
405‧‧‧分配扼流圈
407‧‧‧第一繞組
409‧‧‧第二繞組
410‧‧‧分配扼流圈
411‧‧‧第一繞組
413‧‧‧第二繞組
415‧‧‧分配扼流圈
417‧‧‧第一繞組
419‧‧‧第二繞組
420‧‧‧壓控絕緣閘雙極電晶體開關Q1/功率開關Q1
422‧‧‧閘極驅動器
424‧‧‧閘極驅動器輸出端/閘極驅動訊號輸出端
425‧‧‧壓控絕緣閘雙極電晶體開關Q2/功率開關Q2
427‧‧‧閘極驅動訊號SD
430‧‧‧壓控絕緣閘雙極電晶體開關Q3/功率開關Q3
431‧‧‧導體
433‧‧‧閘極電流IL1
435‧‧‧閘極驅動訊號導體
437‧‧‧閘極電流IL2
440‧‧‧閘極驅動訊號導體
443‧‧‧閘極電流IL3
445‧‧‧閘極電阻器
447‧‧‧閘極電流IL4
450‧‧‧閘極
451‧‧‧電壓VG1
453‧‧‧閘極電流IL5
455‧‧‧閘極驅動訊號導體
457‧‧‧閘極電流IL6
460‧‧‧閘極驅動訊號導體
465‧‧‧閘極電阻器
470‧‧‧閘極
471‧‧‧電壓VG2
475‧‧‧閘極驅動訊號導體
480‧‧‧閘極驅動訊號導體
485‧‧‧閘極電阻器
490‧‧‧閘極
491‧‧‧電壓VG3
492‧‧‧電阻器R2/回路電阻器
493‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
494‧‧‧電阻器R4/回路電阻器
495‧‧‧電壓VDD
496‧‧‧電阻器/回路電阻器
497‧‧‧射極回路電壓VEE/負電源軌電壓VEE
500‧‧‧系統
522‧‧‧非對稱閘極驅動器
524‧‧‧閘極高訊號輸出端
526‧‧‧閘極低訊號輸出端
527‧‧‧導體/閘極驅動器輸出端
528‧‧‧第一電阻器RH
532‧‧‧第二電阻器RL
536‧‧‧脈衝寬度調變(PWM)輸入單元
593‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
595‧‧‧電壓VDD
597‧‧‧負電源軌電壓VEE
600‧‧‧系統
622‧‧‧閘極驅動器
628‧‧‧第一電阻器RH
632‧‧‧第二電阻器RL
693‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
695‧‧‧電壓VDD
697‧‧‧負電源軌電壓VEE
700‧‧‧系統
705‧‧‧分配扼流圈矩陣
720‧‧‧絕緣閘雙極電晶體Q1
722‧‧‧閘極驅動器
724‧‧‧閘極高訊號輸出端
725‧‧‧絕緣閘雙極電晶體Q2
726‧‧‧閘極低訊號輸出端
728‧‧‧第一電阻器RH
730‧‧‧絕緣閘雙極電晶體Q3
732‧‧‧第二電阻器RL
735‧‧‧絕緣閘雙極電晶體Q4
736‧‧‧脈衝寬度調變輸入單元
745‧‧‧閘極電阻器R1
750‧‧‧閘極
751‧‧‧閘極電壓VG1
765‧‧‧閘極電阻器R3
770‧‧‧閘極
771‧‧‧閘極電壓VG2
772‧‧‧可選電阻器R9
774‧‧‧可選電阻器R10
776‧‧‧可選電阻器R11
778‧‧‧可選電阻器R12
780‧‧‧閘極
781‧‧‧閘極電壓VG3
782‧‧‧閘極電容器C1
784‧‧‧閘極電容器C2
785‧‧‧閘極電阻器R5
786‧‧‧閘極電容器C3
787‧‧‧閘極電阻器R7
788‧‧‧閘極電容器C4
790‧‧‧閘極
791‧‧‧閘極電壓VG4
792‧‧‧射極電阻器R2
793‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
794‧‧‧射極電阻器R4
795‧‧‧電壓VDD
796‧‧‧射極電阻器R6
797‧‧‧負電源軌電壓VEE
798‧‧‧射極電阻器R8
800A~800C‧‧‧示波器擷取畫面
805‧‧‧x軸線
810‧‧‧y軸線
815‧‧‧x軸線
820‧‧‧y軸線
821‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1跡線
822‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE2跡線
823‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE3跡線
824‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE4跡線
825‧‧‧x軸線
827‧‧‧射極電流實質上不相等之區
830‧‧‧y軸線
831‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1跡線
832‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE2跡線
833‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE3跡線
834‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE4跡線
837‧‧‧射極電流實質上不相等之區
841‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1跡線
842‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE2跡線
843‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE3跡線
844‧‧‧在自接通狀態切換至關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE4跡線
847‧‧‧射極電流值之差異相對於由圓圈837所包圍之區減小但相對於由圓圈827所包圍之區增大之區
900A~900C‧‧‧示波器擷取畫面
905‧‧‧x軸線
910‧‧‧y軸線
915‧‧‧x軸線
920‧‧‧y軸線
921‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1跡線
922‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE2跡線
923‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE3跡線
924‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE4跡線
925‧‧‧x軸線
927‧‧‧射極電流實質上不相等之區
930‧‧‧y軸線
931‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1跡線
932‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE2跡線
933‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE3跡線
934‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE4跡線
937‧‧‧射極電流之差異與示波器擷取畫面900A之類似部分相較實質上減小之區
941‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1跡線
942‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE2跡線
943‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE3跡線
944‧‧‧在自關斷狀態切換至接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE4跡線
GH‧‧‧閘極高訊號
GL‧‧‧閘極低訊號
L1~LN‧‧‧分配扼流圈
Q1~QN‧‧‧絕緣閘雙極電晶體
VG1~VGN‧‧‧電壓
將參照以下各圖闡述本發明之非限制性及非詳盡實施例，其中除非另有規定，否則在所有各圖中，相同參考編號表示為相同部件。
第1圖是一傳統系統之示意圖，在該傳統系統中，使一對壓控功率開關並聯，以對一共集極(汲極)電流進行切換。
第2A圖是根據本發明一實施例之一系統之示意圖，該系統使用一分配扼流圈來使一對壓控功率開關並聯，以對一共集極(汲極)電流進行切換。
第2B圖是根據本發明一實施例之一系統之示意圖，該系統使用一分配扼流圈來使一對絕緣閘雙極電晶體並聯，以對一共集極電流進行切換。
第3A圖、第3B圖、第3C圖、第3D圖、第3E圖、第3F圖、第3G圖、及第3H圖是示波器擷取畫面(scope capture)300A、300B、300C、300D、300E、300F、300G、及300H，其對在沒有一分配扼流圈之情形下(示波器擷取畫面300A、300C、300E及300G)與在具有一分配扼流圈之情形下(示波器擷取畫面300B、300D、300F及300H)藉由一共同閘極驅動器對一對並聯絕緣閘雙極電晶體之切換進行比較。
第4圖是根據本發明一實施例用於高功率應用之一系統之示意圖，該系統使用一由三個分配扼流圈形成之集合來使三個絕緣閘雙極電晶體並聯，以對一共集極(汲極)電流進行切換。
第5圖是根據本發明一實施例用於高功率應用之一系統之示 意圖，該系統使用一任意數目個分配扼流圈來使複數個壓控絕緣閘雙極電晶體並聯，以對一共集極(汲極)電流進行切換。
第6圖是根據本發明一實施例用於高功率應用之另一系統之示意圖，該系統使用一任意數目個分配扼流圈來使複數個壓控功率開關並聯，以對一共集極(汲極)電流進行切換。
第7圖是根據本發明一實施例用於高功率應用之另一系統之示意圖，該系統使用一任意數目個分配扼流圈及電容性箝位電路來使複數個壓控功率開關並聯，以對一共集極(汲極)電流進行切換。
第8A圖、第8B圖、第8C圖、第9A圖、第9B圖、第9C圖是示波器擷取畫面。800A、800B、800C、900A、900B、900C對在沒有一分配扼流圈或沒有電容性箝位電路之情形下(示波器擷取畫面800A、900A)、在具有一分配扼流圈而不具有電容性箝位電路之情形下(示波器擷取畫面800B、900B)、以及具有一分配扼流圈且具有電容性箝位電路之情形下(示波器擷取畫面800C、900C)藉由一共同閘極驅動器對四個並聯絕緣閘雙極電晶體之切換進行比較。
第1圖是一系統100之示意圖，在系統100中，使一對壓控功率開關(即，功率開關Q1 120及Q2 125)並聯或並聯地耦合，以將一共集極(汲極)電壓VCC 193切換至一負載(第1圖中未顯示)，進而使得一電流被切換至該負載。為便於闡述本說明書，使用一術語並聯來表示為其中藉由一共同閘極驅動器或因應於一共同閘極驅動電壓或一訊號而驅動複數個功率開關之一拓撲；其中該等功率開關之集極(汲極)耦合至一共同正電 源軌電壓且該等功率開關之射極(源極)耦合至一共同負電源軌電壓。在某些實例中，集極(汲極)路徑及射極(源極)路徑中可能皆存在阻抗。為便於闡述本說明書，可將如此耦合之功率開關稱作並聯功率開關。
第1圖例示了其中不使用分配扼流圈之一傳統系統。在一實例中，共集極(汲極)電壓VCC 193是一正電源軌電壓，且電壓VEE 197是一負電源軌電壓。如前所述，該等功率開關可以是例如絕緣閘雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效電晶體、高電子遷移率電晶體等裝置。因此，可瞭解，端視所使用功率開關之類型而定，二個功率開關之集極或汲極被一起耦合至正電源軌電壓VCC 193。二個功率開關之射極或源極被一起耦合至負電源軌電壓VEE 197。為便於闡述本說明書，二個功率開關之射極亦可稱作射極回路(return line)。系統100包含一閘極驅動器122，閘極驅動器122在一閘極驅動電壓輸出端124處輸出一閘極驅動電壓VD 127。閘極驅動器122之回路耦合至一電壓VDD 195。閘極驅動器122藉由不同傳導路徑而耦合至功率開關Q1 120、Q2 125之控制端子150、170，俾使功率開關Q1 120、Q2 125接收閘極驅動器電壓VD 127。因此，在功率開關Q1 120及Q2 125之控制端子150及170處分別存在相對於射極回路電壓VEE 197為正、零或負之電壓VG1 151及電壓VG2 171。因此，閘極驅動器122將功率開關Q1 120、Q2 125控制成導通(在電壓VG1 151、VG2 171為正之情形下)及不導通(在電壓VG1 151、VG2 171為零或負之情形下)。
將閘極驅動電壓輸出端124與功率開關Q1 120之閘極150耦合之傳導路徑包含一閘極驅動訊號導體135及一閘極電阻器145。將閘極驅動電壓輸出端124與功率開關Q2 125之閘極170耦合之傳導路徑包含一閘極驅動訊號導體140及一閘極電阻器165。導體135、140及實際上本文所述之 所有導體皆是真實導體，並且內在地具有一有限非零電阻且與其環境具有寄生相互作用。由於功率開關Q1 120、Q2 125之閘極150、170自功率開關Q1 120、Q2 125之相應集極(汲極)與射極(源極)之間之導電通道絕緣，因此沿著閘極驅動訊號導體135、140傳導之電流IG1、IG2是相對小的且主要與對閘極驅動訊號導體135、140及閘極150、170之寄生電容及電感之充電及放電相關聯。因此，功率開關Q1 120、Q2 125之控制端子150、170處之電壓VG1 151、VG2 171與閘極驅動電壓VD 127僅具有一相對小程度之差異，而此差異主要是在切換期間當閘極驅動電壓VD 127及電壓VG1 151、VG2 171之變化率最高時出現。
為有助於確保使功率開關Q1 120及Q2 125幾乎同時進行切換，可嘗試減小以下二種差異：(1)分別向絕緣閘雙極電晶體Q1 120及Q2 125之閘極150、170施加之電壓VG1 151、VG2 171之差異；以及(2)功率開關Q1 120、Q2 125之裝置特性之差異。
舉例而言，功率開關Q1 120及Q2 125可能是以極緊密容差製造而成。閘極驅動訊號導體135、140之長度、定位及物理性質被設計成盡可能接近等同。然而，在一真實應用中，此可能由於各種原因而難以達成。可使閘極電阻器R1 145、R3 165之電阻盡可能接近等同。射極回路之特性被選擇成使不同位置處之參考電位幾乎等同。電阻器R2 192及R4 194用於限制功率開關Q1 120之射極(源極)與功率開關Q2 125之射極(源極)之間之橫流(cross current)。電阻器R2 192、R4 194之一第一端耦合至射極回路，且電阻器R2 192、R4 194之一第二端耦合至閘極回路電壓VDD 195。
第2A圖是一系統200A之示意圖，系統200A使用一分配扼流圈205連同一對並聯耦合之壓控功率開關(即，功率開關Q1 220、Q2 225) 來對電壓VCC 293進行切換。為便於闡述本說明書，使用一術語並聯來表示為其中藉由一共同閘極驅動器或因應於一共同閘極驅動電壓或一訊號而驅動複數個功率開關之一拓撲；其中該等功率開關之集極(汲極)耦合至一共同正電源軌電壓且該等功率開關之射極(源極)耦合至一共同負電源軌電壓。在某些實例中，集極(汲極)路徑及射極(源極)路徑中可能皆存在阻抗。為便於闡述本說明書，可將如此耦合之功率開關稱作並聯功率開關。
在一實例中，共集極(汲極)電壓VCC 293是一正電源軌電壓，且電壓VEE 297是一負電源軌電壓。因此，可瞭解，端視所使用功率開關之類型而定，二個功率開關之集極或汲極被一起耦合至正電源軌電壓VCC 293。二個功率開關之射極或源極被一起耦合至負電源軌電壓VEE 297。功率開關Q1 220及Q2 225可表示絕緣閘雙極電晶體、金屬氧化物場效電晶體、高電子遷移率電晶體、或者任一其他利用矽、碳化矽、氮化鎵或其他適合半導體材料製成之類似半導體裝置。
系統200A包含一閘極驅動器222，閘極驅動器222在一閘極驅動訊號輸出端224處輸出一共同閘極驅動訊號SD 227。閘極驅動器222之回路(亦稱作一驅動器回路)耦合至一電壓VDD 295。在系統200A之另一實施例或後面在本說明書中所述之任何實施例中，驅動器回路可耦合至地。閘極驅動訊號SD 227可以是一電壓訊號或一電流訊號。閘極驅動訊號SD 227藉由不同傳導路徑而分別耦合至功率開關Q1 220、Q2 225之閘極250、270。因此，在功率開關Q1 220、Q2 225之閘極250、270處分別存在相對於射極回路電壓VEE 297為正、零或負之電壓VG1 251、VG2 271。因此，閘極驅動器222將功率開關Q1 220、Q2 225驅動成導通及不導通。分配扼流圈205被例 示為耦合於閘極驅動器222與功率開關Q1 220、Q2 225之間。在一實例中，該分配扼流圈被示為具有一第一繞組207及一第二繞組209之一耦合電感器。在所示實例中，分配扼流圈205之第一繞組207及第二繞組209二者之一端耦合至閘極驅動器輸出端224。第一繞組207之另一端耦合至功率開關Q1 220之閘極，而第二繞組209之另一端耦合至功率開關Q2 225。如將進一步論述，分配扼流圈205能夠使功率開關Q1 220與Q2 225之閘極電流IG1 242、IG2 244平衡。將閘極驅動訊號輸出端224與功率開關Q1 220之閘極250耦合之傳導路徑包含導體262、272、分配扼流圈205之一第一繞組207、一閘極驅動訊號導體235、及一閘極電阻器R1 245、以及其他導體。將閘極驅動訊號輸出端224與功率開關Q2 225之閘極270耦合之傳導路徑包含導體262、282、分配扼流圈205之一第二繞組209、一閘極驅動訊號導體240、及一閘極電阻器R3 265、以及其他導體。第2A圖所示實施例可稱作一離散閘極電阻器組態，乃因其具有分別與功率開關Q1 220、Q2 225之閘極耦合之個別或離散閘極電阻器R1 245、R3 265。在稱作一共同閘極電阻器組態之另一實施例(第2A圖中未顯示)中，個別閘極電阻器R1 245及R3 265可由位於傳導路徑262中之一共同閘極電阻器取代。該共同閘極電阻器之值可以是電阻器R1 245與R3 265之並聯組合之有效值。
在運行中，對於使電阻器R1 245及R3 265具有相等值之一離散閘極電阻器組態，閘極驅動器222所經歷之有效閘極電阻REFF之一值實質上等於電阻器R1 245與R3 265之並聯組合之等效電阻、或者(倘若R1 245與R3 265具有相同值，此是典型配置)實質上等於R1 245或R3 265之值之一半。在其中使不止二個功率開關並聯之其他離散閘極電阻器組態實例中，有效閘極電阻REFF之一值可實質上等於所有個別閘極電阻器之並聯組合。一般而言，若假設RG是各該個別閘極電阻器之值且假設N是一並聯組態中所耦 合之功率開關之總數，則有效閘極電阻REFF可實質上由以下方程式給出，此是假設所有個別閘極電阻器皆具有相同值：REFF=RG/N (1)
在其中可使用不相等個別閘極電阻器之情形中，以下方程式適用，其將方程式(1)作為一特殊情形而包含在內：
如前面所述，在一共同閘極電阻器實施例(第2A圖中未顯示)之一實例中，可消除個別閘極電阻器，且可將值等於藉由方程式1或2所計算之有效閘極電阻REFF之一共同閘極電阻器置於由導體262所形成之傳導路徑部分中。因此，在共同閘極電阻器組態之一實例中，若將電阻器R1 245或R3 265置於由導體262所形成之傳導路徑部分中，則在R1 245等於R3 265之情形中，該被置電阻器之值將實質上等於其在一離散閘極電阻器組態中之對應值之一半。在其中使不止二個功率開關並聯之其他共同閘極電阻器組態實例中，共同閘極電阻器之一值可實質上等於藉由方程式(1)或(2)針對對應離散閘極電阻器組態所計算之有效閘極電阻REFF。
分配扼流圈205被組態及耦合成有助於確保使來自分配扼流圈205之電流(例如，電流IG1 242與IG2 244)幾乎等同。在所示實例中，電流IG1 242是自第一繞組207所提供之電流，而電流IG2 244是自第二繞組209所提供之電流。如虛線標記所示，第一繞組與第二繞組是以一差動模式耦合於傳導路徑中，俾使該等繞組在進入分配扼流圈205之各電流相等時對該等電流呈現出一相對低之阻抗，但在相同之彼等電流不相等時對該等電流呈現出一相對高之阻抗。換言之，該分配扼流圈對進入分配扼流圈205之各 電流之差異呈現出相對高之阻抗。
在系統200A之一真實實施方案中，分配扼流圈205可設置於距閘極驅動訊號輸出端224為數公分(例如，20公分)之一距離處。具體而言，閘極驅動訊號輸出端224耦合至導體262，導體262將用於功率開關Q1 220、Q2 225二者之電流傳導至一節點277。在節點277之後，引向功率開關Q1 220之電流沿著導體272流動，且引向功率開關Q2 225之電流沿著導體282流動。一般而言，由於分配扼流圈205，可希望使導體272及282具有類似物理特性並適以提供類似阻抗，但此並非是強制性的。由於分配扼流圈205，來自分配扼流圈205之電流IG1 242及IG2 244幾乎等同且分別沿著導體235、240行進。電流IG1 242、IG2 244流經相應閘極電阻器R1 245、R3 265，進而分別以電壓VG1 251、VG2 271對功率開關Q1 220、Q2 225之閘極250、270施加偏壓。
通常，在真實實施方案中，使導體235、240、閘極電阻器R1 245、R3 265、以及功率開關Q1 220、Q2 225幾乎等同較使導體272與282幾乎等同更難。由於此種原因，可能會在功率開關Q1 220、Q2 225之閘極250、270處之電壓VG1 251、VG2 271之間引起差異之大部分寄生相互作用及其他相互作用是存在於分配扼流圈205與功率開關Q1 220、Q2 225之間。舉例而言，分配扼流圈205與閘極電阻器R1 245、R3 265之間之導體235、240之長度通常分別大於導體272、282之長度。此外，導體235與272之長度差異可能大於導體240與282之長度差異。藉由確保使自分配扼流圈205流出之電流IG1 242與IG2 244幾乎等同，分配扼流圈205會使此等差異之影響最小化且有助於確保藉由以下方式來使對絕緣閘雙極電晶體Q1 220、Q2 225之切換對稱：使切換暫態(switching transient)之定時行為等化、使閘極電壓等 化、及使負載電流等化。此會引起在功率開關Q1 220、Q2 225之間平衡之切換特性(包含時間及損耗)。此外，對功率開關Q1 220、Q2 225之冷卻可得以最佳化，且功率開關Q1 220、Q2 225之利用率可得以提高。
閘極驅動器222是一共同驅動器，以輸出一單一閘極驅動訊號來驅動功率開關Q1 220、Q2 225之閘極。一般而言，此單一閘極驅動訊號可以複數個非對稱脈衝來關斷及接通功率開關，且可對該等功率開關之閘極電壓進行「上推(push-up)」及「下拉(pull-down)」二者。一般而言，閘極驅動器222可包含一或多個輸入端(第2A圖中未顯示)，以用於接收一(複數個)定時訊號或控制訊號(例如，脈衝寬度調變訊號)，該(等)定時訊號或控制訊號表徵使功率開關Q1 220、Q2 225切換之定時。一般而言，彼等定時訊號調變在一系列週期內藉由功率開關Q1 220、Q2 225進行之電流傳導之持續時間(即，脈衝寬度調變)。所輸出閘極驅動訊號SD 227適用於控制功率開關Q1 220、Q2 225。舉例而言，功率開關Q1 220、Q2 225之閘極電流應足夠大，以使載子以一所需切換速度移入及移出功率開關Q1 220、Q2 225之閘極區域。用於使功率開關Q1 220、Q2 225切換之驅動器通常相對於功率開關射極(源極)輸出例如介於+/-10伏之間或+/-15伏之間之閘極驅動訊號。
在系統200A之所示實施方案中，各該功率開關Q1 220、Q2 225皆具有耦合於相應功率開關Q1 220、Q2 225之射極與電壓VEE 297之間之一射極回路。此外，電阻器R2 292、R4 294耦合於相應功率開關Q1 220、Q2 225之射極與閘極驅動器回路295之間。電阻器R2 292、R4 294(亦稱作回路電阻器R2 292及R4 294)之電阻被選擇成用於抑制電流在功率開關Q1 220、Q2 225之相應射極(源極)之間流動。一般而言，回路電阻器R2 292 及R4 294可以是閘極電阻器之一部分，且亦可影響閘極電流IG1 242及IG2 244。分配扼流圈205亦補償回路中之差異(例如回路阻抗之差異)。
第2B圖是一系統200B之示意圖，系統200B是使用一分配扼流圈205連同一對並聯耦合之壓控絕緣閘雙極電晶體開關(即，Q1 220、Q2 225)來對一共集極(汲極)電壓VCC 293進行切換之一系統的另一實例。二個功率開關Q1 220、Q2 225之集極被一起耦合至正電源軌電壓VCC 293。二個絕緣閘雙極電晶體Q1 220、Q2 225之射極(亦稱作射極回路)被一起耦合至負電源軌電壓VEE 297。絕緣閘雙極電晶體驅動器222以一種與第2A圖所示閘極驅動器222類似之方式工作。絕緣閘雙極電晶體驅動器222之回路耦合至一電壓VDD 295。包含第2B圖是了便於例示所述發明可如何與作為功率開關之絕緣閘雙極電晶體一起使用。系統200B之所有電路元件皆以一種與第2A圖所示系統200A類似之方式來發揮作用及耦合。
根據本發明之教示內容，以示波器擷取畫面300A、300B、300C、300D、300E、300F、300G、及300H(第3A圖、第3B圖、第3C圖、第3D圖、第3E圖、第3F圖、第3G圖、及第3H圖)來例示耦合有分配扼流圈205之優點之示意圖。
第3A圖、第3C圖、第3E圖及第3G圖是示波器擷取畫面300A、300C、300E、及300G，其例示在沒有一分配扼流圈之情形下藉由一共同閘極驅動器對一對並聯絕緣閘雙極電晶體之切換。示波器擷取畫面300A包含跡線320及322。示波器擷取畫面300C包含跡線325及327。示波器擷取畫面300E包含跡線330及332。示波器擷取畫面300G包含跡線335及337。示波器擷取畫面300A、300C、300E、300G包含一x軸線310及一y軸線315。沿著x軸線310之位置指示時間。沿著y軸線315之位置指示電流或電壓 量值，此端視相關跡線而定。雖然沿著x軸線310之時間標度對於所有所示跡線皆相同，但沿著y軸線315之電流或電壓標度對於不同跡線可能有所變化。
第3B圖、第3D圖、第3F圖、及第3H圖是示波器擷取畫面300B、300D、300F、及300H，其例示在如第2B圖所示具有一分配扼流圈之情形下藉由一共同閘極驅動器對一對並聯絕緣閘雙極電晶體之切換。示波器擷取畫面300B包含跡線360及362。示波器擷取畫面300D包含跡線365及367。示波器擷取畫面300F包含跡線370及372。示波器擷取畫面300H包含跡線375及377。
第3A圖包含跡線320及322。跡線320表示在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對功率開關其中之第一者之閘極與射極之間之電位差VGE1。跡線322表示在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對功率開關其中之第二者之閘極與射極之間之電位差VGE2。在某些實施方案中，VGE1及VGE2可介於大約+/-15伏之間之範圍內，而非此處所示之+15伏與-10伏之間。在真實應用中，亦可具有其他正閘極電壓及負閘極電壓(例如，+20伏/0伏、+18伏/-6伏)。
如可看出，二個跡線320、322自接通狀態中相對較高之相同電位差轉變至關斷狀態中幾乎穩定、相對較低之相同電位差。然而，在轉變週期期間，該等功率開關其中之第一者之閘極-射極VGE1與該等功率開關其中之第二者之閘極-射極VGE2之電位差並非是零，即，VGE1與VGE2不相等。此是由個別功率開關之傳導路徑中之阻抗不同進而使得閘極電流IG1及IG2不同引起。第3C圖將閘極電流IG1及IG2分別例示為跡線325及327。跡線325表示在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對功率開關其中之第一者之閘極電 流IG1。跡線327表示在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對功率開關其中之第二者之閘極電流IG2。在轉變結束時，VGE1及VGE2二者實質上相等，進而表明關斷切換事件結束。如可在第3C圖所示跡線325、327中看出，二個閘極電流IG1、IG2是在接通狀態中以幾乎零開始。然而，在轉變階段期間，閘極電流IG1、IG2不相等。閘極電流IG1與閘極電流IG2之差異是如下各項不完全匹配之結果：各功率開關之閘極電容及其他特性、各閘極驅動訊號導體之長度、定位及物理性質、各閘極電阻器之電阻等。換言之，二個開關之閘極迴路阻抗不完全相等。在某些其他實施例中，第一功率開關及第二功率開關之閘極電流之峰值可高達50安。
第3E圖包含跡線330及332。跡線330表示在自一接通狀態切換至一關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之一第一者之集極(汲極)與射極(源極)之間之電位差VCE1。跡線332表示在自一導通性較高接通狀態切換至一導通性較低關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之集極(汲極)與射極(源極)之間之電位差VCE2。在某些實施方案中，VCE1及VCE2可以是數百伏或更大。如可看出，二個跡線330、332自接通狀態中相對低之相同電位差轉變至關斷狀態中相對高之相同電位差。然而，該等絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之集極與射極之間之電位差VCE1在該等絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之集極與射極之間之電位差VCE2之前開始上升。此較早電位差增大是與該等絕緣閘雙極電晶體其中之第一者較該等絕緣閘雙極電晶體其中之第二者更快地關斷相關聯。
第3G圖包含跡線335及337。跡線335表示在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之射極電流IE1。跡線337表示在自接通狀態轉變至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之 第二者之射極電流IE2。在某些實施方案中，IE1與IE2可大約超過數千安。
如可看出，二個跡線335及337是在接通狀態中以穩定或幾乎相等之值開始。在轉變階段期間，並聯功率開關之射極電流IE1與IE2不相等。IE1與IE2之差異是歸因於相關絕緣閘雙極電晶體之閘極切換不相等。在絕緣閘雙極電晶體自接通狀態切換至關斷狀態期間，射極電流IE1之量值減小，而射極電流IE2之量值增大。
跡線300B、300D、300F、及300H包含一x軸線350及一y軸線355。沿著x軸線350之位置指示時間。沿著y軸線355之位置指示電流或電壓量值，此端視相關跡線而定。雖然沿著x軸線350之時間標度對於所有所示跡線皆等同，但沿著y軸線355之電流或電壓標度對於不同跡線會有所變化。為進行比較，沿著x軸線310、350之時間標度被視為等同的。此外，沿著y軸線315及355之電流標度或電壓標度對於對應之跡線是等同的。
第3B圖包含跡線360及362，跡線360及362表示如第2B圖所示而耦合之一對絕緣閘雙極電晶體之閘極-射極電位差。跡線360表示在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之閘極與射極之間之電位差VGE1。跡線362表示在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之閘極與射極之間之電位差VGE2。在某些實施方案中，VGE1及VGE2可介於大約+/-15伏之間之範圍內，而非如跡線300A及300B所示介於+15伏與-10伏之間。如示波器擷取畫面300B所示，跡線360及跡線362自接通狀態中相對較高之相同電位差轉變至關斷狀態中幾乎穩定、相對較低之相同電位差。然而，相對於示波器擷取畫面300A(第3A圖)，該等絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之閘極與射極之間之電位差VGE1與該等絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之閘極與射極之間之電位差 VGE2更緊密地相匹配。如可自示波器擷取畫面300B看出，跡線360與362實質上重疊。此更緊密匹配表明，在具有一分配扼流圈之情形下，相較於在沒有一分配扼流圈之情形下，該等絕緣閘雙極電晶體其中之第一者是與該等絕緣閘雙極電晶體其中之第二者更好地被協調。
第3D圖包含跡線365及367，跡線365及367表示如第2B圖所示而耦合之一對絕緣閘雙極電晶體之閘極電流。跡線365表示在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之閘極電流IG1。跡線367表示在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之閘極電流IG2。如可在示波器擷取畫面300D中看出，跡線365、367二者是在接通狀態中以穩定、幾乎為零之值開始。然而，相對於示波器擷取畫面300C(第3C圖)，閘極電流IG1之量值與閘極電流IG2之量值更緊密地相匹配。如可自示波器擷取畫面300D看出，跡線365與367實質上重疊。儘管如下各項與在沒有一分配扼流圈之情形下一樣存在不完全匹配，但仍會發生閘極電流IG1與閘極電流IG2之較緊密匹配：各絕緣閘雙極電晶體之閘極電容及其他特性、各閘極驅動訊號導體之長度、定位及物理性質、各閘極電阻器之電阻等。
第3F圖包含跡線370及372，跡線370及372表示如第2B圖所示而耦合之一對絕緣閘雙極電晶體之集極-射極電位差。跡線370表示在自一導通性較高接通狀態切換至一導通性較低關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之一第一者之集極與射極之間之電位差VCE1。跡線372表示在自一導通性較高接通狀態切換至一導通性較低關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之集極與射極之間之電位差VCE2。如可在示波器擷取畫面300F中看出，二個跡線370、372自接通狀態中相對低之相同電位差轉變至 關斷狀態中相對高之相同電位差。然而，相對於示波器擷取畫面300E，該等絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之集極與射極之間之電位差VCE1與該等絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之集極與射極之間之電位差VCE2更緊密地相匹配。如可自示波器擷取畫面300F看出，跡線370與372實質上重疊。此更緊密匹配表明，在具有一分配扼流圈之情形下，與在不具有一分配扼流圈之情形下相較，該對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者與該等絕緣閘雙極電晶體其中之第二者更接近同時地關斷。
第3H圖包含跡線375及377，跡線375及377表示如第2B圖所示而耦合之一對絕緣閘雙極電晶體之射極電流。跡線375表示在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第一者之射極電流IE1。跡線377表示在自接通狀態切換至關斷狀態期間該對絕緣閘雙極電晶體其中之第二者之射極電流IE2。在某些實施方案中，IE1及IE2可超過數百安。在示波器擷取畫面300H中，二個跡線375、377是在接通狀態中以穩定、幾乎相等之值開始。然而，相對於示波器擷取畫面300G(第3G圖)，在自接通狀態切換至關斷狀態期間，射極電流IE1之減小量值與射極電流IE2之增大量值二者幾乎相等。如可自示波器擷取畫面300H看出，跡線375與377實質上重疊。此表明射極電流共享得以改良。
第4圖是一系統400之示意圖，系統400使用三個分配扼流圈405、410、415連同三個並聯耦合之壓控絕緣閘雙極電晶體開關(即，Q1 420、Q2 425及Q3 430)來對一共集極(汲極)電壓VCC 493進行切換。三個絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430之集極被一起耦合至正電源軌電壓VCC 493。三個絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430之射極(亦稱作射極回路)被一起耦合至負電源軌電壓VEE 497。系統400包含一閘極驅 動器422，閘極驅動器422在一閘極驅動訊號輸出端424處輸出一閘極驅動訊號SD 427。閘極驅動器422之回路耦合至一電壓VDD 495。閘極驅動訊號SD 427藉由一第一傳導路徑耦合至功率開關420之閘極450、藉由一第二傳導路徑耦合至功率開關425之閘極470、且藉由一第三傳導路徑耦合至功率開關430之閘極490。因此，在絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430之閘極450、470、490處分別存在相對於射極回路電壓VEE 497為正、零或負之電壓VG1 451、VG2 471及VG3 491。因此，閘極驅動器422將絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430驅動成導通及不導通。
分配扼流圈405、410、415被例示為耦合於閘極驅動器422與功率開關Q1 420、Q2 425、Q3 430之間。在一實例中，分配扼流圈405、410、415被示為耦合電感器。分配扼流圈405包含一第一繞組407及一第二繞組409。分配扼流圈410包含一第一繞組411及一第二繞組413。分配扼流圈415包含一第一繞組417及一第二繞組419。在所示實例中，分配扼流圈405之第一繞組407及第二繞組409二者之一端耦合至閘極驅動器輸出端424。第一繞組407之另一端耦合至分配扼流圈410之第一繞組411之一端，而分配扼流圈405之第二繞組409之另一端耦合至分配扼流圈415之第一繞組417之一端。扼流圈410之第二繞組413之一端耦合至閘極驅動器輸出端424。扼流圈410之第一繞組411之另一端耦合至功率開關Q1 420之閘極。分配扼流圈410之第二繞組413之另一端耦合至分配扼流圈415之第二繞組419之一端。分配扼流圈415之第一繞組417之另一端耦合至功率開關Q2 425之閘極。分配扼流圈415之第二繞組419之另一端耦合至功率開關Q3 430之閘極。如將進一步論述，分配扼流圈405、410、415能夠使功率開關Q1 420、Q2 425、Q3 430之閘極電流IL3 443、IL5 453、IL6 457平衡。
將閘極驅動訊號輸出端424與絕緣閘雙極電晶體Q1 420之閘極450耦合之傳導路徑包含各該分配扼流圈405、410中之一繞組、閘極驅動訊號導體435、440、及閘極電阻器445、以及其他導體。將閘極驅動訊號輸出端424與絕緣閘雙極電晶體Q2 425之閘極470耦合之傳導路徑包含各該分配扼流圈405、415中之一繞組、閘極驅動訊號導體455、460、及閘極電阻器465(通往絕緣閘雙極電晶體Q2 425之閘極470)、以及其他導體。將閘極驅動訊號輸出端424與絕緣閘雙極電晶體Q3 430之閘極490耦合之傳導路徑包含各該分配扼流圈410、415中之一繞組、閘極驅動訊號導體475、480、及閘極電阻器485(通往絕緣閘雙極電晶體Q3 430之閘極490)、以及其他導體。
分配扼流圈405、410、415各自被個別地組態及耦合成有助於確保使相應對之現有電流(即，IL1 433與IL2 437、IL3 443與IL4 447、或IL5 453與IL6 457)幾乎等同。具體而言，各該分配扼流圈405、410、415皆包含位於一單一芯體上之一對繞組。如虛線標記所示，該等繞組是以一差動模式耦合於傳導路徑中，即，對相等電流呈現出一相對低之阻抗，但對彼等電流之差異呈現出一相對高之阻抗。因此，所有閘極電流IL1 433、IL2 437、IL3 443、IL4 447、IL5 453、及IL6 457皆實質上等同。
除此個別組態以外，分配扼流圈405、410及415皆彼此耦合，以確保使電流IL1 433、IL2 437、IL3 443、IL4 447、IL5 453、及IL6 457幾乎相等。具體而言，來自分配扼流圈405之電流IL1 433藉由閘極驅動訊號導體435耦合至分配扼流圈410。繼而，來自分配扼流圈410之電流IL3 443、IL4 447幾乎等同。電流IL3 443藉由閘極驅動訊號導體440及閘極電阻器445耦合至絕緣閘雙極電晶體Q1 420之閘極450。此外，自分配扼流圈405流出之電流IL2 437幾乎 等同於電流IL1 433，且藉由閘極驅動訊號導體455耦合至分配扼流圈415。來自分配扼流圈410且幾乎等同於電流IL3 443之電流IL4 447藉由閘極驅動訊號導體475耦合至分配扼流圈415。繼而，來自分配扼流圈415之電流IL5 453與IL6 457幾乎等同。電流IL5 453藉由閘極驅動訊號導體460及閘極電阻器465耦合至功率開關425之閘極470。電流IL6 457藉由閘極驅動訊號導體480及閘極電阻器485耦合至絕緣閘雙極電晶體Q3 430之閘極490。因此，分別被耦合至驅動訊號導體440、460、480中之電流IL3 443、IL5 453、IL6 457幾乎等同。藉由確保使電流IL3 443、IL5 453、IL6 457幾乎相同，甚至在使不止二個壓控功率開關並聯時亦可達成分配扼流圈之益處。
在系統400之一真實實施方案中，分配扼流圈405、410、415通常由於機械原因而緊密靠近閘極驅動訊號輸出端424設置。具體而言，閘極驅動訊號輸出端424耦合至一導體431，導體431將引向所有絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430之電流分別傳導至扼流圈405、410、415。扼流圈405藉由一導體435耦合至扼流圈410，且扼流圈405藉由一導體455耦合至扼流圈415。導體431、435及455通常由於機械原因而在長度上不相等，此使得此等導體提供不同阻抗。分別來自分配扼流圈405、410、415之電流IL3 443、IL5 453、IL6 457幾乎等同且可沿著相對較長導體440、460、480行進並穿過相應閘極電阻器445、465、485，以分別對絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430之閘極450、470、490施加偏壓。分配扼流圈405、410、415幾乎補償了自閘極驅動器輸出端424至相應閘極450、470、490之所得不同路徑之所得不同阻抗(歸因於各導體之不同長度、以及彼等導體及傳導路徑中其他所述裝置之寄生電感及電容)。
可能會在分別向絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425、Q3 430 之閘極450、470、490所施加之電壓VG1 451、VG2 471、VG3491之間引起差異之大部分寄生相互作用及其他相互作用是存在於相應分配扼流圈405、410、415與相應閘極450、470、490之間。舉例而言，導體440、460、480之長度差異在分配扼流圈405、410、415與閘極450、470、490之間通常較在閘極驅動訊號輸出端424與分配扼流圈405、410、415之間更大。在另一實例中，閘極電阻器445、465、485之任何電阻差異是存在於分配扼流圈405、410、415與閘極450、470、490之間而不存在於閘極驅動訊號輸出端424與分配扼流圈405、410、415之間。藉由確保使電流IL3 443、IL5 453、IL6 457幾乎等同，分配扼流圈405、410、415分別會在對絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430之切換期間使此等差異之影響最小化。
如前面參照第2A圖所解釋，閘極電阻器445、465、485亦可由一單一電阻器取代，該單一電阻器是電阻器445之值之三分之一(在電阻器445、465及485缺設地具有相同值時)。另一選擇為，此單一電阻器可被置於包含導體431之傳導路徑中介於閘極驅動器422與扼流圈405、410、415其中之任一者之間之部分中。
閘極驅動器422是一共同驅動器，以輸出一單一閘極驅動訊號來驅動多個功率開關之閘極。一般而言，此單一閘極驅動訊號將以複數個非對稱脈衝來關斷及接通功率開關，且將對閘極電壓進行「上推」及「下拉」二者。一般而言，閘極驅動器422包含一或多個定時輸入端(圖中未顯示)，以用於接收一(複數個)定時控制輸入或訊號，該(等)定時控制輸入或訊號表徵將使功率開關切換之時間。一般而言，彼此訊號調變在一系列週期內由功率開關進行之電流傳導之持續時間(即，脈衝寬度調變)。所輸出閘極驅動訊號適用於使絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430切 換。舉例而言，絕緣閘雙極電晶體Q1 420、Q2 425及Q3 430處之閘極電流必須足夠大，以使載子以一所需切換速度移入及移出閘極區域。用於使絕緣閘雙極電晶體切換之共同驅動器通常在閘極與射極之間輸出電壓介於+/-15伏之間之閘極驅動訊號。在真實應用中，閘極驅動訊號電壓亦可具有其他正值及負值，例如+15伏/-10伏、+20伏/0伏、及+18伏/-6伏。
在某些實例中，閘極電阻器445、465、485之電阻被設定成能減少或防止例如di/dt誘致電壓尖峰、振盪等之大小。舉例而言，閘極電阻器445、465、485通常處於自0.1歐姆至數歐姆之範圍。一般而言，閘極電阻器445、465、485是以極緊密容差相匹配。
在所示實例中，射極回路耦合至電壓VDD 495。在系統400之另一實施例中，回路可耦合至地。此外，電阻器R2 492、R4 494、R6 496耦合於相應功率開關Q1 420、Q2 425、Q3 430之射極與閘極驅動器回路之間。電阻器R2 492、R4 494、R6 496(亦稱作回路電阻器)之電阻被選擇成用於抑制電流在功率開關Q1 420、Q2 425、Q3 430之相應射極(源極)之間流動。分配扼流圈405、410、415亦補償了射極回路中之差異(因此，射極回路阻抗之差異)。一般而言，射極回路電阻器492、494、496是以極緊密容差相匹配。
第5圖是一系統500之示意圖，系統500使用一任意數目「N」個分配扼流圈來使「N」個壓控絕緣閘雙極電晶體並聯，以對一共集極(汲極)電壓VCC 593進行切換。第5圖表示根據本發明教示內容之一離散閘極電阻器實施例。如圖所示，所有絕緣閘雙極電晶體之集極被一起耦合至一正電源軌電壓VCC 593。所有絕緣閘雙極電晶體之射極(亦稱作射極回路)被一起耦合至一負電源軌電壓VEE 597。系統500包含一非對稱閘極驅動器 522，非對稱閘極驅動器522在一閘極高訊號輸出端524處輸出一閘極高訊號GH且在一閘極低訊號輸出端526處輸出一閘極低訊號GL。閘極驅動器522之回路耦合至電壓VDD 595。閘極高訊號GH具有實質上足以「上推」閘極電壓並將功率開關驅動成一接通狀態之一量值。閘極低訊號GL具有足以「下拉」閘極電壓並將功率開關驅動成一關斷狀態之一量值。閘極高訊號GH藉由一第一電阻器RH 528而耦合至一導體527。閘極低訊號GL藉由一第二電阻器RL 532而耦合至一導體527。繼而，導體527藉由多個分配扼流圈、多個閘極驅動訊號導體及多個閘極電阻器而耦合至相應功率開關之閘極。因此，在絕緣閘雙極電晶體Q1、Q2、...Q(N-1)、QN之閘極處存在電壓VG1、VG2、...、VG(N-1)、VGN。因此，閘極驅動器522將多個絕緣閘雙極電晶體控制成導通及不導通。
分配扼流圈L1、L2、...、L(N-1)、LN被例示為耦合於閘極驅動器522與絕緣閘雙極電晶體Q1、Q2、...、Q(N-1)、QN之間。在一實例中，各該分配扼流圈L1、L2、...、L(N-1)、LN被示為具有一第一繞組及一第二繞組之一耦合電感器。此外，各該繞組被示為具有一第一端及一第二端。在所示實例中，扼流圈L1之第一繞組及第二繞組二者之各第一端耦合至閘極驅動器輸出端527。第一繞組之第二端耦合至最後一個扼流圈LN之第二繞組之第一端。扼流圈L1之第二繞組之第二端耦合至第二扼流圈L2之第一繞組之第一端。對於所有中間扼流圈L2至L(N-1)，第一繞組之第一端耦合至前一扼流圈之第二繞組之第二端；第一繞組之第二端耦合至對應功率開關之閘極；第二繞組之第一端耦合至閘極驅動器輸出端527，且第二繞組之第二端耦合至下一扼流圈之第一繞組之第一端。現在參照最後一個扼流圈LN，第一繞組之第一端耦合至繞組L(N-1)之第二端；第一繞組之第二端耦合至功率開關QN之閘極；第二繞組之第一端耦合至扼流圈L1之第一繞組 之第二端；且第二繞組之第二端耦合至絕緣閘雙極電晶體Q1之閘極。為便於闡述本說明書，如此對分配扼流圈進行之耦合可稱作一交織式耦合(interwoven coupling)。
該N個分配扼流圈其中之每一者個別地用以確保使來自其之相應電流幾乎等同。由於上述交織式耦合，被耦合至驅動訊號導體中之電流幾乎等同，且甚至在使N個壓控功率開關並聯時亦可達成一分配扼流圈之益處。
在一實例中，系統500包含一脈衝寬度調變(pulse width modulation；PWM)輸入單元536，以將一脈衝寬度調變訊號提供至閘極驅動器522。該脈衝寬度調變訊號表徵將使絕緣閘雙極電晶體切換之時間。
第6圖是另一系統600之示意圖，系統600使用一任意數目「N」個分配扼流圈來使「N」個壓控絕緣閘雙極電晶體並聯，以對一共集極(汲極)電壓VCC 693進行切換。如圖所示，所有絕緣閘雙極電晶體之集極被一起耦合至正電源軌電壓VCC 693。所有絕緣閘雙極電晶體之射極(亦稱作射極回路)被一起耦合至一負電源軌電壓VEE 697。閘極驅動器622之回路耦合至電壓VDD 695。
分配扼流圈L1、L2、...、L(N-1)、LN被例示為耦合於閘極驅動器622與絕緣閘雙極電晶體Q1、Q2、...、Q(N-1)、QN之間。在一實例中，各該分配扼流圈L1、L2、...、L(N-1)、LN被示為具有一第一繞組及一第二繞組之一耦合電感器。此外，各該繞組被示為具有一第一端及一第二端。閘極驅動器622、分配扼流圈L1、L2、...、L(N-1)、LN、以及絕緣閘雙極電晶體Q1、Q2、...、Q(N-1)、QN是如參照第5圖所解釋而以交織方式耦合。
第6圖表示根據本發明教示內容之一共同閘極電阻器實施例。與系統500相較，系統600不包含由各自耦合至一功率開關之一相應閘極之複數個閘極電阻器形成之一集合。而是，系統600包含一第一電阻器RH 628及一第二電阻器RL 632，第一電阻器RH 628及第二電阻器RL 632之大小被設定成用於為各該所耦合之功率開關Q1、Q2、...、Q(N-1)、及QN提供所需閘極電流。在另一實例中，第一電阻器RH 628及第二電阻器RL 632之大小可被設定成用於減少或防止例如di/dt誘致電壓尖峰、振盪等。舉例而言，電阻器RH 628、RL 632通常處於自0.1歐姆至數歐姆之範圍。
如前面所解釋，在一由複數個並聯功率開關形成之典型組態中，可能存在顯著之負載電流不平衡。由於分配模式扼流圈，可使在閘極驅動器、輸出級與功率開關之閘極之間循環之負載電流之顯著部分平衡。使負載電流不平衡最佳化之某些其他常見解決方案亦可包含對DC鏈路結構及AC鏈路結構進行機械最佳化、及在絕緣閘雙極電晶體之射極路徑中佈置電阻器。
在本發明之一態樣中，可將複數個電容器耦合至閘極驅動電路，以在切換暫態期間使各絕緣閘雙極電晶體之閘極電壓平衡。該等電容器可在具有或沒有分配模式扼流圈之情形下使用。在一實例中，該等電容器可耦合至絕緣閘雙極電晶體之閘極。為便於闡述本說明書，以此種方式耦合之電容器可稱作閘極電容器。另外，為便於闡述本說明書，可將如上所解釋在一由複數個並聯絕緣閘雙極電晶體形成之組態中使用閘極電容器稱作電容性箝位(capacitive clamping)。在運行中，若該等並聯絕緣閘雙極電晶體之個別閘極之暫態閘極電壓不相等，則可能存在穿過該等閘極電容器之一位移電流(displacement current)，直至達到一平衡條件為止。使用閘 極電容器亦可減少因米勒電容效應(effect of Miller-capacitance)產生之循環電流。一般而言，在一由複數個被一共同閘極驅動器驅動之並聯功率開關及複數個分配模式扼流圈形成之組態中，增添閘極電容器可實質上能夠更有效地使實際閘極電壓平衡。一般而言，在其中使用分配模式扼流圈及閘極電容器二者之並聯功率開關組態中，該等分配模式扼流圈可實質上使來自閘極驅動器之各閘極電流平衡；而該等閘極電容器可實質上使絕緣閘雙極電晶體之閘極電壓平衡。因此，功率模組之整體負載電流平衡可得以改良。增添複數個閘極電容器尤其在如第5圖或第6圖所示使數個功率開關並聯耦合時是有利的。
增添數個閘極電容器可有助於避免因功率半導體或功率半導體模組之緊密磁性耦合及米勒電容而產生循環電流。在本發明之又一態樣中，亦可將複數個電阻器並聯耦合至電容性箝位電路。該等電阻器可在各閘極電壓不相等之情形下容許電流流動。另外，該等電阻器亦可有助於去除電路中之任何靜態不平衡。
第7圖是一系統700之示意圖，除使用複數個分配扼流圈以外，系統700亦使用複數個電容器或電容性箝位電路來使「N」個壓控絕緣閘雙極電晶體並聯，以對一共集極(汲極)電壓VCC 793進行切換。第7圖表示根據本發明教示內容之一離散閘極電阻器實施例。
第7圖包含一脈衝寬度調變輸入單元736、一閘極驅動器722、一分配扼流圈矩陣705、一第一電阻器RH 728、一第二電阻器RL 732、絕緣閘雙極電晶體Q1 720、Q2 725、Q3 730及Q4 735、閘極電阻器R1 745、R3 765、R5 785及R7 787、射極電阻器R2 792、R4 794、R6 796及R8 798、閘極電容器C1 782、C2 784、C3 786、C4 788、可選電阻器R9 772、R10 774、 R11 776及R12 778。
如圖所示，所有絕緣閘雙極電晶體Q1 720、Q2 725、Q3 730及Q4 735之集極被一起耦合至一正電源軌電壓VCC 793。所有絕緣閘雙極電晶體Q1 720、Q2 725、Q3 730、Q4 735之射極(亦稱作射極回路)被一起耦合至一負電源軌電壓VEE 797。閘極驅動器722在一閘極高訊號輸出端724處輸出一閘極高訊號GH且在一閘極低訊號輸出端726處輸出一閘極低訊號GL。閘極驅動器722之回路耦合至電壓VDD 795。
分配扼流圈矩陣705包含若干個分配扼流圈。脈衝寬度調變輸入單元736、閘極驅動器722被耦合成經由如第5圖所示分配扼流圈矩陣來驅動絕緣閘雙極電晶體Q1 720、Q2 725、Q3 730、Q4 735。閘極電容器C1 782、C2 784、C3 786及C4 788耦合於閘極電阻器與該等絕緣閘雙極電晶體之閘極750、770、780及790。具體而言，閘極電阻器R1 745、R3 765、R5 785、R7 787之各第一端耦合至分配扼流圈矩陣，而其各第二端耦合至閘極750、770、780、790以及閘極電容器C1 782、C2 784、C3 786、C4 788之各第一端。閘極電容器C1 782、C2 784、C3 786及C4 788之各第二端被耦合於一起。
如本說明書中前面所述，閘極電容器C1 782、C2 784、C3 786及C4 788實質上使閘極電壓VG1 751、VG2 771、VG3 781及VG4 791平衡。可選電阻器R9 772、R10 774、R11 776及R12 778亦可在各閘極電壓不相等之情形下容許電流流動且亦可有助於降低靜態不平衡。
第8A圖、第9A圖分別是示波器擷取畫面800A、900A，其例示在沒有分配扼流圈或電容性箝位電路之情形下藉由一共同閘極驅動器對四個並聯絕緣閘雙極電晶體之切換。第8B圖、第9B圖分別是示波器擷取畫面800B、900B，其例示在具有分配扼流圈而沒有電容性箝位電路之情形下 藉由一共同閘極驅動器對四個並聯絕緣閘雙極電晶體之切換。第8C圖、第9C圖分別是示波器擷取畫面800C、900C，其例示在具有分配扼流圈且具有電容性箝位電路之情形下藉由一共同閘極驅動器對四個並聯絕緣閘雙極電晶體之切換。
示波器擷取畫面800A、900A分別包含一x軸線805及一y軸線810、一x軸線905及一y軸線910。沿著x軸線805、905之位置指示時間。沿著y軸線810、910之位置指示電流量值。雖然沿著x軸線805、905之時間標度對於所有所示跡線皆相同，但沿著y軸線810、910之電流標度對於不同跡線可有所變化。
示波器擷取畫面800B、900B分別包含一x軸線815及一y軸線820、一x軸線915及一y軸線920。沿著x軸線815、915之位置指示時間。沿著y軸線820、920之位置指示電流量值。雖然沿著x軸線815、915之時間標度對於所有所示跡線皆相同，但沿著y軸線820、920之電流標度對於不同跡線可有所變化。
示波器擷取畫面800C、900C分別包含一x軸線825及一y軸線830、一x軸線925及一y軸線930。沿著x軸線825、925之位置指示時間。沿著y軸線830、930之位置指示電流量值。雖然沿著x軸線825、925之時間標度對於所有所示跡線皆相同，但沿著y軸線830、930之電流標度對於不同跡線可有所變化。
示波器擷取畫面800A包含跡線821、822、823、824。跡線821、822、823、824表示在自一接通狀態切換至一關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1、IE2、IE3、IE4。示波器擷取畫面800B包含跡線831、832、833、834。跡線831、832、833、834表示在自一接通狀態切換至一關 斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1、IE2、IE3、IE4。示波器擷取畫面800C包含跡線841、842、843、844。跡線841、842、843、844表示在自一接通狀態切換至一關斷狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1、IE2、IE3、IE4。
如可在示波器擷取畫面800A中看出，在由圓圈827及837所標記之區中，射極電流實質上不相等。參照示波器擷取畫面800B，在由圓圈847所標記之區中，射極電流值之差異相對於由圓圈837所包圍之區減小，但相對於由圓圈827所包圍之區增大。由圓圈827所包圍之區中之增大是因經由功率開關之米勒電容進行了電流注入。因此，此等實例性跡線例示以一種方式進行其他實例可能沒有之電容性箝位之有效性。參照示波器擷取畫面800C，在具有分配扼流圈及電容性箝位電路二者之情形下，在整個關斷轉變過程中，射極電流實質上相等。
示波器擷取畫面900A包含跡線921、922、923、924。跡線921、922、923、924表示在自一關斷狀態切換至一接通狀態(亦稱作接通轉變)期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1、IE2、IE3、IE4。示波器擷取畫面900B包含跡線931、932、933、934。跡線931、932、933、934表示在自一關斷狀態切換至一接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1、IE2、IE3、IE4。示波器擷取畫面900C包含跡線941、942、943、944。跡線941、942、943、944表示在自一關斷狀態切換至一接通狀態期間絕緣閘雙極電晶體之射極電流IE1、IE2、IE3、IE4。
如可自示波器擷取畫面900A看出，在由圓圈927所標記之區中，射極電流實質上不相等。參照示波器擷取畫面900B，如圓圈937之區所示，射極電流之差異與示波器擷取畫面900A之類似部分相較實質上減小。 參照示波器擷取畫面900C，在整個接通轉變過程中，射極電流實質上相等。
上述觀測更加例示了在具有分配扼流圈且具有或沒有電容性箝位電路之情形下驅動複數個並聯絕緣閘雙極電晶體之優點。
已闡述了若干個實施方案。不過，其他實施方案亦處於以下申請專利範圍之範疇內。以上對本發明所示實例之說明(包含摘要中所述內容)並非旨在是詳盡的或限制於所揭露之精確形式。儘管本文已出於例示目的闡述了本發明之特定實施例及實例，然而，可進行各種等效潤飾，且此並不背離本發明之更寬廣精神及範圍。實際上，應瞭解，特定實例性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等僅是瞭解釋起見而提供，且根據本發明之教示內容，在其他實施例及實例中亦可採用其他值。
100‧‧‧系統
120‧‧‧功率開關Q1/絕緣閘雙極電晶體Q1
122‧‧‧閘極驅動器
124‧‧‧閘極驅動電壓輸出端
125‧‧‧功率開關Q2/絕緣閘雙極電晶體Q2
127‧‧‧閘極驅動電壓VD
135‧‧‧閘極驅動訊號導體
140‧‧‧閘極驅動訊號導體
145‧‧‧閘極電阻器R1
150‧‧‧控制端子/閘極
151‧‧‧電壓VG1
165‧‧‧閘極電阻器R3
170‧‧‧控制端子/閘極
171‧‧‧電壓VG2
192‧‧‧電阻器R2
193‧‧‧共集極(汲極)電壓VCC/正電源軌電壓VCC
194‧‧‧電阻器R4
195‧‧‧閘極回路電壓VDD
197‧‧‧射極回路電壓VEE/負電源軌電壓VEE

Claims (41)

  1. 一種切換裝置，包含：一第一功率開關，具有一第一閘極；一第二功率開關，與該第一功率開關並聯且具有一第二閘極；一閘極驅動器，用以輸出一閘極驅動訊號，以驅動該第一閘極及該第二閘極二者；一第一傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第一閘極；一第二傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第二閘極；以及一分配扼流圈(distribution choke)，用以將該閘極驅動訊號分配至該第一功率開關及該第二功率開關，該分配扼流圈具有設置於該第一傳導路徑中之一第一繞組及設置於該第二傳導路徑中之一第二繞組，該分配扼流圈是以一差動模式(differential mode)被耦合。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該等功率開關是絕緣閘雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor；IGBT)、金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor；MOSFET)、或高電子遷移率電晶體(high-electron-mobility transistor；HEMT)。
  3. 如請求項1所述之裝置，更包含用以分配該閘極驅動訊號之一第二分配扼流圈，該第二分配扼流圈包含設置於該第一傳導路徑中之一第三繞組。
  4. 如請求項3所述之裝置，更包含：一第三功率開關，與該第一功率開關及該第二功率開關並聯且具有一第三閘極；以及 一第三傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第三閘極。
  5. 如請求項3所述之裝置，其中該第二分配扼流圈包含設置於該第三傳導路徑中之一第四繞組。
  6. 如請求項5所述之裝置，更包含用以分配該閘極驅動訊號之一第三分配扼流圈，該第三分配扼流圈包含設置於該第三傳導路徑中之一第五繞組。
  7. 如請求項6所述之裝置，其中該第三分配扼流圈包含設置於該第二傳導路徑中之一第六繞組。
  8. 如請求項1至7中任一項所述之裝置，其中所有部件皆被整合於一個功率模組中。
  9. 如請求項3至7中任一項所述之裝置，其中該等功率開關皆是絕緣閘雙極電晶體。
  10. 如請求項3至7中任一項所述之裝置，其中該等功率開關皆是金屬氧化物半導體場效電晶體。
  11. 如請求項3至7中任一項所述之裝置，其中該等功率開關皆是高電子遷移率電晶體。
  12. 如請求項1至7中任一項所述之裝置，其中：該第一傳導路徑包含一第一閘極電阻；以及該第二傳導路徑包含一第二閘極電阻。
  13. 如請求項1至7中任一項所述之裝置，其中：該第一傳導路徑及該第二傳導路徑包含一共同閘極電阻。
  14. 如請求項1至7中任一項所述之裝置，其中： 該閘極驅動器是一共同閘極驅動器，該閘極驅動器包含一或多個閘極訊號輸出端或具有複數個單獨之高/低(Hi/Lo)閘極輸出端。
  15. 如請求項1至7中任一項所述之裝置，其中：該裝置包含相等數目之並聯的功率開關與扼流圈；以及各該傳導路徑皆包含至少二個繞組。
  16. 一種功率模組，包含：一第一功率開關，具有一第一閘極；一第二功率開關，與該第一功率開關並聯且具有一第二閘極；一整合式閘極驅動器，用以輸出一閘極驅動訊號，以驅動該第一閘極及該第二閘極二者；一第一傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第一閘極；一第二傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第二閘極；以及一分配扼流圈，用以將該閘極驅動訊號分配至該第一功率開關及該第二功率開關，該分配扼流圈具有設置於該第一傳導路徑中之一第一繞組及設置於該第二傳導路徑中之一第二繞組，該分配扼流圈是以一差動模式被耦合。
  17. 一種功率模組，包含：一第一功率開關，具有一第一閘極；一第二功率開關，與該第一功率開關並聯且具有一第二閘極；一端子，用以耦合一閘極驅動器輸出端，該閘極驅動器輸出端具有一外部閘極驅動器訊號，以驅動該第一閘極及該第二閘極二者；一第一傳導路徑，用以將該外部閘極驅動訊號耦合至該第一閘極； 一第二傳導路徑，用以將該外部閘極驅動訊號耦合至該第二閘極；以及一分配扼流圈，用以將該外部閘極驅動訊號分配至該第一功率開關及該第二功率開關，該分配扼流圈具有設置於該第一傳導路徑中之一第一繞組及設置於該第二傳導路徑中之一第二繞組，該分配扼流圈是以一差動模式被耦合。
  18. 一種功率模組，包含：複數個第一功率開關，被並聯耦合，且各該功率開關具有一閘極；一閘極驅動器，用以輸出一閘極驅動訊號，以驅動各該閘極；一傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至各該功率開關之該閘極；以及複數個第一分配扼流圈，用以將該閘極驅動訊號分配至各該閘極，其中該等功率開關之數目等於該等分配扼流圈之數目，各該分配扼流圈具有設置於一第一傳導路徑及一第二傳導路徑中之一第一繞組及一第二繞組，該第一傳導路徑及該第二傳導路徑是通往一閘極，各該分配扼流圈是以一差動模式被耦合，其中該閘極驅動訊號是在複數個傳導路徑中被分配且被分配至複數個第二分配扼流圈，以及其中該複數個第二分配扼流圈之數目較該複數個第一分配扼流圈之數目少1。
  19. 一種切換裝置，包含：一第一絕緣閘雙極電晶體，具有一第一閘極； 一第二絕緣閘雙極電晶體，與該第一絕緣閘雙極電晶體並聯且具有一第二閘極；一絕緣閘雙極電晶體驅動器，用以輸出一閘極驅動訊號，以驅動該第一閘極及該第二閘極二者；一第一傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第一閘極；一第二傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第二閘極；以及一分配扼流圈，用以將該閘極驅動訊號分配至該第一絕緣閘雙極電晶體及該第二絕緣閘雙極電晶體，該分配扼流圈具有設置於該第一傳導路徑中之一第一繞組及設置於該第二傳導路徑中之一第二繞組，該分配扼流圈是以一差動模式被耦合。
  20. 如請求項19所述之裝置，更包含用以分配該閘極驅動訊號之一第二分配扼流圈，該第二分配扼流圈包含設置於該第一傳導路徑中之一第三繞組。
  21. 如請求項20所述之裝置，更包含：一第三絕緣閘雙極電晶體，與該第一絕緣閘雙極電晶體及該第二絕緣閘雙極電晶體並聯且具有一第三閘極；以及一第三傳導路徑，用以將該閘極驅動訊號耦合至該第三閘極。
  22. 如請求項21所述之裝置，其中該第二分配扼流圈包含設置於該第三傳導路徑中之一第四繞組。
  23. 如請求項22所述之裝置，更包含用以分配該閘極驅動訊號之一第三分配扼流圈，該第三分配扼流圈包含設置於該第三傳導路徑中之一第五繞組。
  24. 如請求項23所述之裝置，其中該第三分配扼流圈包含設置於該第二傳導路徑中之一第六繞組。
  25. 如請求項19所述之裝置，其中：該第一傳導路徑包含一第一閘極電阻；以及該第二傳導路徑包含一第二閘極電阻。
  26. 如請求項19所述之裝置，其中：該第一傳導路徑及該第二傳導路徑包含位於該絕緣閘雙極電晶體驅動器與該分配扼流圈之間之一或多個第一導體；該第一傳導路徑包含位於該分配扼流圈與該第一閘極之間之一或多個第二導體；該第二傳導路徑包含位於該分配扼流圈與該第二閘極之間之一或多個第三導體；該一或多個第二導體是長於該一或多個第一導體；以及該一或多個第三導體是長於該一或多個第一導體。
  27. 一種功率模組，包含：一第一壓控(voltage-controlled)功率開關，具有一閘極及一對主端子(main terminal)；一第二壓控功率開關，具有一閘極及一對主端子，其中該第一壓控功率開關之該等主端子其中之一及該第二壓控功率開關之該等主端子其中之一被耦合於一起；一差動扼流圈，包含一第一繞組及一第二繞組；一功率開關驅動器，包含一閘極驅動訊號輸出端，該閘極驅動訊號 輸出端藉由一第一傳導路徑耦合至該第一壓控功率開關之該閘極且藉由一第二傳導路徑耦合至該第二壓控功率開關之該閘極，其中該第一傳導路徑包含該第一繞組；其中該第二傳導路徑包含該第二繞組；其中該第一傳導路徑在該閘極驅動訊號輸出端及該第一繞組之間之阻抗與該第二傳導路徑在該閘極驅動訊號輸出端及該第二繞組之間之阻抗的一差異小於該第一傳導路徑在該第一繞組及該第一壓控功率開關之該閘極之間之阻抗與該第二傳導路徑在該第二繞組及該第二壓控功率開關之該閘極之間之阻抗的一差異。
  28. 如請求項27所述之功率模組，其中：該第一傳導路徑包含一第一閘極電阻，該第一閘極電阻設置於該第一繞組與該第一壓控功率開關之該閘極之間；以及該第二傳導路徑包含一第二閘極電阻，該第二閘極電阻設置於該第二繞組與該第二壓控功率開關之該閘極之間。
  29. 如請求項27所述之功率模組，更包含一第二差動扼流圈，該第二差動扼流圈包含一第三繞組及一第四繞組，其中該第一傳導路徑包含該第三繞組。
  30. 如請求項29所述之功率模組，更包含：一第三壓控功率開關，具有一閘極及一對主端子，其中該第三壓控功率開關之該等主端子其中之一被耦合至該第一壓控功率開關及該第二壓控功率開關的被耦合之該等主端子；其中該閘極驅動訊號輸出端藉由一第三傳導路徑耦合至該第三壓 控功率開關之該閘極，其中該第三傳導路徑包含該第四繞組。
  31. 如請求項27至30中任一項所述之功率模組，其中：該等功率開關是絕緣閘雙極電晶體；以及該功率開關驅動器是一共同絕緣閘雙極電晶體驅動器。
  32. 一種功率模組，包含：三或更多個並聯的功率開關，各該功率開關具有一各自之控制端子；一共同功率開關驅動器，包含一單個閘極驅動訊號輸出端，該單個閘極驅動訊號輸出端藉由一相應傳導路徑耦合至該等並聯的功率開關之各該控制端子；二或更多個扼流圈，各該扼流圈包含一對繞組，各該扼流圈之該等繞組是以一差動模式設置於該等傳導路徑其中之不同者中，其中該等傳導路徑至少其中之一包含至少二個繞組。
  33. 如請求項32所述之功率模組，其中：該等功率開關是絕緣閘雙極電晶體；以及該共同功率開關驅動器是一共同絕緣閘雙極電晶體驅動器。
  34. 如請求項32或33所述之功率模組，其中該等傳導路徑包含一共同閘極電阻。
  35. 如請求項32或33所述之功率模組，其中：該功率模組包含相等數目之並聯的功率開關與扼流圈；以及各該傳導路徑皆包含至少二個繞組。
  36. 一種功率模組，包含： 至少二個並聯的功率開關，各該功率開關具有一各自之控制端子；一共同功率開關驅動器，包含一單個閘極驅動訊號輸出端，該單個閘極驅動訊號輸出端藉由一相應傳導路徑耦合至該等並聯的功率開關之各該控制端子；一或多個扼流圈，各該扼流圈包含一對繞組，各該扼流圈之該等繞組是以一差動模式設置於該等傳導路徑其中之不同者中，其中該等傳導路徑至少其中之一包含至少二個繞組；以及複數個電容器，耦合於該等功率開關之該等控制端子之間。
  37. 如請求項36所述之功率模組，其中各該傳導路徑存在至少一個離散電容器。
  38. 如請求項36或37所述之功率模組，其中各該電容器之一第一端耦合至一功率開關之該控制端子，且各該電容器之一第二端耦合至另一電容器。
  39. 如請求項38所述之功率模組，其中所有電容器之該等第二端被耦合於一起，以形成一電容性箝位電路(capacitive clamping circuit)。
  40. 如請求項36或37所述之功率模組，其中一電阻器耦合至各該電容器。
  41. 如請求項40所述之功率模組，其中該電阻器之一第一端耦合至該相應電容器之該第一端，且該電阻器之一第二端耦合至該電容器之該第二端。
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