专利名称：开关栅极驱动器的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种被包含以驱动逆变器的开关栅极驱动器，并且更具体地，本公开涉及一种降低开/关应力的开关栅极驱动器。
背景技术：
逆变器是一种将交流电压转换为直流电压的器件，当开关器件根据PWM(脉宽调制)信号来切换经转换的直流电压时，逆变器生成交流电压，并向要被驱动的负载输出所生成的交流电压。逆变器向负载提供具有用户所需的电压和频率的交流电压，从而可以精确地控制对负载的驱动。IGBT (绝缘栅双极晶体管)一般被用作包含在逆变器中的开关器件。开关栅极驱动器是一种控制IGBT或MOS晶体管的电路。图1为图示栅极驱动器的电路图。在工业中使用的控制绝大部分IGBT器件的栅极驱动器具有与图1所示相同的结构。参考图1，为了开关IGBT器件，栅极驱动器包括栅极电阻RG(on)、RG(off)、Rin和 RGE、电容C和2个开关器件。栅极驱动器接收IGBT控制信号，将信号转换为适合驱动IGBT 的电压电平VG+和VG-并且通过栅极电阻RG(on)和RG (off)使IGBT器件的栅极充电/放电。根据在IGBT栅极积累的电荷量来施加IGBT器件的栅极电压Vge，并且当栅极电压Vge 变得高于IGBT器件的驱动电压时，IGBT被导通。当IGBT器件的栅极电压Vge变得等于或小于驱动电压时，IGBT器件被断开。此时，IGBT器件的导通和断开时间是根据电阻RG(on)和RG(off)的大小来确定的。当将栅极电阻RG(on)和RG(Off)设计为小尺寸时，由于在开关IGBT器件时发生的突然的电流变化，在IGBT器件的断开操作中在IGBT器件的集电极端子利发射极端子之间出现较大的峰值电压，而在IGBT器件的导通操作中出现较大的续流二极管的反向恢复电流。另一方面， 当将栅极电阻RG(on)和RG(Off)设计为大尺寸时，电流变化时间变长，因此开关损耗增加。图2至图5为图示图1中所示的栅极驱动器的各种实施例的电路图。图2图示了包含电阻RG(on)和RG(off)的情况，而图3图示了将电阻RG(on)禾口 RG(Off)实施为一个电阻的情况。图3图示了 IGBT器件被导通时的充电电流路径，而图4 图示了 IGBT器件被断开时的放电电流路径。如上所述，现有技术中的栅极驱动器由向IGBT器件提供驱动功率的MOS晶体管或 “图腾柱”电路，和控制IGBT栅极充电/放电电流的栅极电阻RG构成。如图2所示，栅极电阻RG可以由栅极电阻RG(on)和栅极电阻RG(off)单独构成，其中，当IGBT器件被导通时所述栅极电阻RG(on)控制IGBT器件的栅极充电电流，当IGBT器件被断开时所述栅极电阻 RG(Off)控制IGBT器件的栅极放电电流，或者如图3所示，栅极电阻RG可以由一个栅极电阻构成，而无需区分IGBT器件的导通/断开操作。当IGBT器件被导通时，IGBT器件的栅极充电/放电电流通过栅极电阻RG(on)被充电，如图4所示；并且当IGBT器件被断开时，IGBT器件的栅极充电/放电电流通过栅极电阻RG(off)被放电，如图5所示。考虑到IGBT器件被断开时出现的IGBT峰值电压、IGBT 器件被导通时出现的续流二极管的反向恢复电流，和开关损耗，栅极电阻RG被预先设定为一个适当的值。 由栅极电阻RG确定的IGBT器件的峰值电压和续流二极管的反向恢复电流相对于开关损耗具有互补关系。此时，当栅极电阻RG被设计为过大时，IGBT的栅极充电/放电时间变长，并且IGBT器件被断开或导通时出现的IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的 IGBT峰值电压和续流二极管的反向恢复电流减小。但是，开关损耗增加。当将栅极电阻RG设计为较小时，IGBT器件的栅极充电/放电时间变短，因此开关损耗减小。但是，IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的IGBT峰值电压和续流二极管的反向恢复电流增大。由于栅极电阻RG使用预设的固定值，因此IGBT器件的栅极充电/放电时间是恒定的。
发明内容
本公开提供了一种开关栅极驱动器，其包括代替包含在IGBT器件的栅极端子中的电阻的可变电阻。根据本公开的一个方案，提供了一种IGBT器件的开关栅极驱动器，包括电阻单元，其控制IGBT器件的栅极电流；和电压读出器，其根据IGBT器件的集电极-发射极电压向电阻单元输出控制电阻单元的可变电阻的控制信号。优选地，电阻单元可以包括包含可变电阻的可变电阻单元和包含固定电阻的固定电阻单元。优选地，可变电阻单元可以接收控制信号并改变可变电阻的电阻。优选地，可变电阻单元可以包括多个开关和与多个开关对应的电阻，并提供通过使多个开关打开或闭合而变化的电阻。优选地，固定电阻单元可以包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和第二电阻并联连接，并且可变电阻单元可以包括与第一电阻并联连接的第一开关、与第一开关串联连接的第三电阻、与第二电阻并联连接的第二开关，和与第二开关串联连接的第四电阻。优选地，电压读出器可以设定参考电压。优选地，电压读出器可以监控IGBT器件的集电极-发射极电压，并且当集电极-发射极电压小于参考电压(值)时，通过使第一开关闭合来增大IGBT器件的栅极输入电流。优选地，电压读出器可以监控IGBT器件的集电极-发射极电压，并且当集电极-发射极电压大于参考电压(值)时，通过使第二开关打开来减小IGBT器件的栅极输入电流。优选地，开关栅极驱动器还可以包括“图腾柱”电路，所述“图腾柱”电路从栅极驱动器接收信号并提供IGBT器件的栅极信号。本公开具有的有益效果在于由于栅极驱动器使栅极电阻根据IGBT器件的集电极_发射极电压Vce而可变并抑制IGBT器件被断开时出现的IGBT器件的集电极-发射极电压的峰值电压，因此与设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器相比，可以通过缩短开关时间来降低开关损耗。
本公开具有的另一有益效果在于可以通过抑制IGBT器件的集电极-发射极电压的IGBT峰值电压来降低IGBT的电压额定电容，通过抑制IGBT器件的集电极-发射极电压的峰值电压，使得设计抑制IGBT峰值电压的缓冲电路容易，和当IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的IGBT器件被断开时，使得通过降低开关损耗来设计IGBT器件的散热变得容
易ο
所包括的附图提供了对本公开进一步的解释，且并入并构成本申请的一部分，附示了本公开的实施例并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中图1为图示栅极驱动器的电路图；图2至图5为图示图1中所示的栅极驱动器的各种实施例的电路图；图6为在逆变器系统中的IGBT栅极驱动器的结构图；图7为图示IGBT器件和MOSFET器件的工作特性的波形图；图8为图示根据本公开的实施例的开关栅极驱动器的框图；图9为图8中所示的开关栅极驱动器的电路图；图10为图示包含在电压读出器中的电压检测电路的实施例的电路图；图11为图示图9中所示的各信号的工作状态的波形图；和图12和图13为图示图9中所示的开关栅极驱动器的操作的波形图。
具体实施例方式下面，参考附图给出本公开的最优选实施例，以描述本公开的技术思路，使本领域技术人员可以容易地实施本公开的技术思路。图6为在逆变器系统中的IGBT栅极驱动器的结构图。图7为图示IGBT器件和 MOSFET器件的工作特性的波形图。图8为图示根据本公开的实施例的开关栅极驱动器的框图。图9为图8中所示的开关栅极驱动器的电路图。图10为图示包含在电压读出器中的电压检测电路的实施例的电路图。图11为图示图9中所示的各信号的工作状态的波形图。 图12和图13为图示图9中所示的开关栅极驱动器的操作的波形图。图6和图7图示了在逆变器系统中的IGBT器件的栅极驱动器的开关特性。当如图6所示负载电流IL流过IGBT器件Tl时，如果IGBT器件Tl被断开，则负载电流IL流过 IGBT器件T2的反向二极管D2。此时，由于负载电流的电流变化速度(di/dt)和在逆变器负载电流IL的路径上的寄生电感，在IGBT器件Tl的集电极-发射极的两端生成IGBT器件的峰值电压。当负载电流IL流过IGBT器件T2的反向二极管D2时，如果IGBT器件Tl被导通， 则根据二极管的反向恢复特性，负载电流IL流过IGBT器件Tl并且续流二极管的反向恢复电流在IGBT器件T2的反向二极管D2中流动。器件D2中的续流二极管的反向恢复电流与将出现的流过IGBT器件Tl的负载电流IL重叠。本公开涉及一种栅极驱动器，通过根据在IGBT器件的导通或断开操作时IGBT器件的集电极-发射极电压来改变栅极电阻RG，所述栅极驱动器能够降低开关IGBT器件时所出现的IGBT峰值电压和续流二极管的反向恢复电流，同时确保适当的IGBT器件的导通和断开时间。本公开可以适用于使用包含IGBT器件和MOSFET器件的功率开关器件以及逆变器的领域。通过使栅极电阻根据IGBT器件的集电极-发射极电压Vce而可变，本公开可以抑制IGBT器件被断开时出现的IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的IGBT器件的峰值电压以及IGBT器件被导通时出现的续流二极管的反向恢复电流。进而，本公 开的栅极驱动器的开关时间比设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器 (其抑制同一 IGBT集电极-发射极电压Vce的IGBT器件的峰值电压和续流二极管的反向恢复电流)的开关时间短，从而可以降低开关损耗。进而，根据本公开，通过抑制IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的IGBT器件的峰值电压和续流二极管的反向恢复电流，可以降低IGBT的电压额定电容和电流额定电容， 并且容易设计抑制改变IGBT器件的操作时的峰值电压的缓冲电路。此外，由于与设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器(其抑制同一 IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的IGBT 器件的峰值电压和续流二极管的反向恢复电流)的导通和断开开关变化时间相比，IGBT器件的导通和断开开关变化时间缩短，因此开关损耗变小。如图8所示，根据本实施例的栅极驱动器包括“图腾柱”电路20、IGBT驱动电源 30、电压读出器40和电阻单元50。为“图腾柱”电路20提供由栅极驱动器驱动芯片10提供的IGBT驱动信号，并将其提供给可变电阻单元50。IGBT驱动电源30提供预定的IGBT驱动电压并设定IGBT读出电压Vce的建议电平。为电压读出器40提供由IGBT器件60提供的IGBT读出电压Vce并且电压读出器40提供了 IGBT栅极电阻可变信号。电阻单元50包括具有固定电阻值的固定电阻单元52和设置可变电阻值的可变电阻单元51。图9图示了图8中所示的各个模块被实施为实际电路的情况，并且为了方便而使用相同的附图标记。在此，可变电阻单元51包括2个电阻和2个开关，并且响应于由电压读出器40提供的电阻可变信号使所述开关导通或断开。在此，电压读出器40可以被不同地构造，包括电阻R、二极管D和电压检测电路41。根据本实施例的栅极驱动器的操作可以被分为IGBT器件的导通操作和断开操作。图7图示了开关IGBT器件时出现的IGBT栅极电压Vge、IGBT集电极电流IC和 IGBT集电极-发射极电压Vce的工作波形图。IGBT器件的导通操作可以被分为①停止状态(区段0至tl)，②漏极电流上升区段(区段tl至t2)，③导通区段(区段t2至t3)，④ 电阻特性区(区段t3至t4)，并且在③导通区段可能发生IGBT集电极-发射极电压的变化。IGBT器件的断开操作以IGBT器件导通操作的相反顺序进行。在③导通区段发生的IGBT集电极-发射极电压Vce的开关变化中进行根据本公开的栅极驱动器的主要操作。IGBT器件的集电极_发射极电压Vce变为输入电压vcel并通过图9所示的读出用二极管D和读出用电阻R被输入电压读出器40中。此时，通过读出用二极管D输入电压读出器40中的输入电压vcel的幅度被限制为IGBT驱动电源VG(+) 的幅度，并且电压读出电路41继续接收输入电压vcel，其中集电极_发射极电压Vce被限制为VG⑴的幅度。
图10为图示包含在电压读出器中的电压检测电路的实施例的电路图。电压读出电路41可以由电平检测器构成。电压读出电路41接收输入电压Vcel作为输入信号并提供控制信号RCl和RC2作为输出信号OUT。电压读出电路41所起的作用是当IGBT集电极_发射极电压Vce变得大于或小于预定电压电平时，提供控制信号RCl和RC2。电压读出电路41可以利用各种电路例如晶体管、运算放大器和比较器来实施。在此，当通过读出用二极管D和读出用电阻R输入的电压变得大于或小于如上所述的预定电平时，电压读出电路41生成高电平或低电平控制信号RCl或RC2。图11为图示图10中所示的各信号的工作状态的波形图。图11图示了包含在电压读出器40中的IGBT集电极-发射极电压Vce和电压读出电路41的输入信号Vcel以及控制信号RCl和RC2的波形。随后，当IGBT集电极-发射极电压Vce变得等于或小于在电压读出器40中设定的预定变化参考电压时，电压读出器40在IGBT器件的导通操作中通过导通开关SWl和SW2 来增大IGBT器件的栅极充电电流，从而使包含在电阻单元50的可变电阻单元51中的电阻 Rl禾口 R2工作。当IGBT栅极充电电流增大时，为了抑制续流二极管的反向恢复电流，通过控制预设的控制信号RCl和RC2，IGBT电流变化速度增大，从而加速了电流变化。由于当IGBT集电极_发射极电压Vce变化时，通过使IGBT栅极电阻可变而发生IGBT栅极充电电流的增大，因此与抑制同一续流二极管的反向恢复电流的设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器的开关损耗相比，通过在IGBT开关时将IGBT电流乘以IGBT集电极-发射极电压Vce计算得到的IGBT开关损耗减小。因此，当IGBT器件被导通时，可以通过抑制续流二极管的反向恢复电流来减小IGBT的电流额定电容。由于IGBT的电流变化速度快于抑制同一续流二极管的反向恢复电流的设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器的电流变化速度，因此可以将死时间设计得较小。如图12所示，当IGBT集电极-发射极电压Vce变得大于电压读出器40中设定的预定变化参考电压时，通过使电阻单元50的可变电阻单元51的开关SWl和SW2打开，在 IGBT的断开操作时的电压读出器40降低了 IGBT器件的栅极放电电流。当IGBT器件的栅极放电电流减小时，IGBT电流变化速度减小使得IGBT峰值电压减小，峰值电压是当IGBT被断开时在IGBT集电极-发射极电压Vce上出现的。由于当IGBT集电极-发射极电压变化时，通过可变电阻单元51发生IGBT放电电流减小，因此与抑制同一 IGBT集电极-发射极电压Vce的IGBT峰值电压的设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器的开关损耗相比，通过在IGBT开关时将IGBT电流乘以IGBT集电极-发射极电压Vce计算得到的IGBT器件的开关损耗减小。因此，当IGBT器件被断开时，可以通过抑制IGBT集电极-发射极电压Vce的 IGBT峰值电压来减小IGBT的电压额定电容。此外，IGBT电流变化速度快于抑制同一 IGBT集电极-发射极电压Vce的IGBT峰值电压的设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器的电流变化速度，因此可以将死时间设计
得较小。与抑制同一 IGBT器件的集电极_发射极电压Vce的IGBT峰值电压的设计有固定栅极电阻RG的栅极驱动器的开关损耗相比，通过使栅极电阻RG根据IGBT器件的集电极_发射极电压Vce可变并抑制IGBT器件被断开时出现的IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的峰值电压，根据本实施例的栅极驱动器使开关时间缩短，因此降低了开关损耗。进而，通过抑制IGBT器件的集电极_发射极电压Vce的IGBT峰值电压，IGBT的电压额定电容被降低。此外，通过抑制IGBT器件的集电极-发射极电压Vce的IGBT峰值电压，变得容易设计抑制IGBT峰值电压的缓冲电路。而且，通过降低当IGBT的集电极-发射极电压Vce的IGBT器件被导通时的开关损耗，使得设计IGBT器件的散热变得容易。此外，可以通过抑制续流二极管的反向恢复电流来降低IGBT的电流额定电容。而且，通过降低IGBT器件被导通时的开关损耗，使得设计IGBT器件的散热变得容易。当IGBT 器件驱动高电压时，可以在有限的电压范围内检测IGBT集电极-发射极电压Vce。进而，由于不使用例如变压器和隔离放大器的昂贵部件而使用二极管，本公开可以以相对低的成本来实施。进而，可以通过缩短开关变化时间来减少IGBT器件的死时间。甚至当IGBT器件驱动高电压时，通过在电压读出器中使用二极管读出IGBT器件驱动电源VG(+)的电压范围内的IGBT集电极-发射极电压Vce，变得容易设计电路。进而，本公开可以以不同方式进行如下应用。例如，可以通过以下方式应用以IGBT器件的集电极-发射极中的IGBT器件的栅极-发射极来调换在本公开中使用的IGBT电压读出点。甚至当如上所述构造时，可以实现如上实施例相同的效果并且扩展电压读出范围至①停止状态，②漏极电流上升区段，③导通区段，④电阻特性区。进而，通过使用Vce检测器来区分IGBT器件的集电极-发射极电压Vce并接收 IGBT驱动电源VG⑴电压内的电压，可以扩展Vce检测电路中的栅极电阻RG变化水平至 IGBT集电极-发射极电压Vce的整个电压范围。此外，在将集电极-发射极电压Vce的检测电路中的栅极电阻RG变化运算电路构造为微分器时，可以根据IGBT集电极-发射极电压Vce的斜率来实施栅极电阻RG的变化操作。在上文中，虽然描述了本公开的实施例，但其仅是示范性的并且本领域普通技术人员可以认识到落入本公开范围内的各种替换和修改也是可行的。因此，本公开的实际技术保护范围应由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种IGBT器件的开关栅极驱动器，其特征在于，所述开关栅极驱动器包括电阻单元(50)，其控制所述IGBT器件的栅极电流；和电压读出器(40)，其根据所述IGBT器件的集电极-发射极电压向所述电阻单元输出控制所述电阻单元的可变电阻的控制信号。
2.根据权利要求1所述的开关栅极驱动器，其特征在于，所述电阻单元(50)包括包含可变电阻的可变电阻单元(51)；和包含固定电阻的固定电阻单元(52)。
3.根据权利要求2所述的开关栅极驱动器，其特征在于，所述可变电阻单元(51)包括多个开关和与所述多个开关对应的电阻，并提供通过使所述多个开关打开或闭合而变化的电阻。
4.根据权利要求2所述的开关栅极驱动器，其特征在于，所述固定电阻单元(52)包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻并联连接；并且所述可变电阻单元包括与所述第一电阻并联连接的第一开关、与所述第一开关串联连接的第三电阻、与所述第二电阻并联连接的第二开关，和与所述第二开关串联连接的第四电阻。
5.根据权利要求4所述的开关栅极驱动器，其特征在于，所述电压读出器(40)监控所述IGBT器件的集电极-发射极电压，并且当所述集电极_发射极电压小于参考电压时，通过使所述第一开关闭合来增大所述IGBT器件的栅极输入电流。
6.根据权利要求4所述的开关栅极驱动器，其特征在于，所述电压读出器(40)监控所述IGBT器件的集电极-发射极电压，并且当所述集电极_发射极电压高于参考电压时，通过使所述第二开关打开来减小所述IGBT器件的栅极输入电流。
7.根据权利要求1所述的开关栅极驱动器，其特征在于，所述开关栅极驱动器还包括 “图腾柱”电路(20)，所述“图腾柱”电路提供所述IGBT器件的栅极信号。
全文摘要
本发明公开了一种IGBT器件的开关栅极驱动器，包括电阻单元，其控制IGBT器件的栅极电流；和电压读出器，其根据IGBT器件的集电极-发射极电压向电阻单元输出控制电阻单元的可变电阻的控制信号。
文档编号H02M1/088GK102237781SQ201110122189
公开日2011年11月9日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月6日
发明者李在纹 申请人:Ls产电株式会社