隔离栅极驱动器以及包括其的功率设备驱动系统的制作方法

相关申请的交叉引证

本申请要求于2016年7月27日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请第10-2016-0095550号的优先权和权益，其全部内容通过引证结合于此。

本发明涉及一种功率设备驱动系统(powerdevicedrivingsystem)，并且更具体地，涉及包括隔离栅极驱动器(isolatedgatedriver)的功率设备驱动系统以及用于驱动用于车辆的功率设备的隔离栅极驱动器。

背景技术：

近来，随着环保型车辆的销售增长，诸如igbt(绝缘栅双极晶体管)或sic(碳化硅)的功率设备已越来越多地被用作用于驱动使用诸多高压信号(如同电机驱动或高压转换)的电动车辆或混合动力车辆系统的开关设备。

此外，隔离栅极驱动器也越来越多地被用于驱动这种功率设备。在隔离栅极驱动器中，施加至栅极的电压的斜率(转换速率(slewrate，压摆率))应被适当调整以用于功率设备的安全操作。传统地，当隔离栅极驱动器向功率设备的栅极提供功率时，栅极电压的转换速率由电路设计中的具有固定电阻值的外部电阻器控制。

图1是示出根据现有技术的隔离栅极驱动器的电路图。参考图1，以下将描述输入电压的传统转换速率控制器。图1的隔离栅极驱动器包括：低压部件110，由低压电源lvdd驱动；高压部件120，由高压电源hvdd驱动；绝缘部件130；以及外部转换速率控制部件140。

如图1中所示，因为传统隔离栅极驱动器通过具有固定电阻值的外部电阻器控制转换速率，所以存在功率设备的栅极电压的转换速率仅固定为初始设计值的诸多限制。

现有技术文献：韩国专利注册号：10-0212754(公布日期：1999年5月12日)

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种隔离栅极驱动器，该隔离栅极驱动器可基于来自微控制器单元的pwm信号和控制信号在用于车辆的功率设备的导通和关闭期间准确地控制转换速率。然而，这些问题是说明性的，并且因此，本发明的范围不限于此。

根据本发明的方面，提供一种隔离栅极驱动器，包括：低压部件，该低压部件包括用于接收来自微控制器单元的pwm信号并输出低压pwm信号的pwm传输单元以及用于接收来自微控制器单元的控制信号并输出低压控制信号的低压逻辑块；绝缘部件，用于将低压pwm信号和低压控制信号分别升压为高压pwm信号和高压控制信号；以及高压部件，该高压部件通过绝缘部件而与低压部件绝缘，其中，该高压部件包括：高压逻辑块，用于根据高压控制信号输出转换速率控制信号；转换速率控制器，用于控制隔离栅极驱动器外部的功率设备的栅极电压的转换速率，使得功率设备的栅极电压在上升沿或下降沿处具有取决于转换速率控制信号的转换速率；以及转换速率反馈单元，该转换速率反馈单元包括用于测量栅极电压的转换速率的转换速率测量单元并且允许转换速率控制器改变栅极电压的转换速率。

在该情况下，转换速率反馈单元进一步包括反馈信号生成单元，该反馈信号生成单元用于在由转换速率测量单元测量的栅极电压的转换速率不在基准范围中时生成转换速率改变信号并且用于将转换速率改变信号输出至转换速率控制器，并且转换速率控制器基于转换速率改变信号来改变栅极电压的转换速率。

此外，转换速率反馈单元进一步包括通信单元并且通过该通信单元将由转换速率测量单元所测量的转换速率值输出至高压逻辑块。

此外，高压逻辑块被配置为控制转换速率控制器以基于转换速率值改变栅极电压的转换速率。

此外，转换速率反馈单元进一步包括高压比较器和低压比较器，高压比较器基于基准高压生成高压比较信号，并且低压比较器基于基准低压生成低压比较信号，并且转换速率测量单元基于高压比较信号和低压比较信号测量栅极电压的转换速率。

此外，其中，转换速率测量单元包括计数器，其中，该计数器在下降沿处生成高压比较信号时开始计数并且在下降沿之后生成低压比较信号时终止计数。

此外，转换速率测量单元包括计数器，其中，计数器在上升沿上生成低压比较信号时开始计数并且在上升沿之后生成高压比较信号时终止计数。

此外，转换速率控制器包括均具有通过转换速率控制信号和高压pwm信号切换的第一开关单元和第二开关单元的多个缓冲器。

此外，多个缓冲器至少包括第一缓冲器和第二缓冲器，并且在第一缓冲器的第一开关单元中流动的电流的大小不同于在第二缓冲器的第一开关部分中流动的电流的大小。

同时，根据本发明的实施方式，提供一种功率设备驱动系统，包括：微控制器单元；功率设备；以及隔离栅极驱动器，被配置为接收来自微控制器单元的pwm信号和控制信号并且被配置使得施加至功率设备的栅极的pwm信号具有受控的转换速率(controlledslewrate)，其中，该隔离栅极驱动器包括：低压部件，该低压部件包括用于接收来自微控制器单元的pwm信号并输出低压pwm信号的pwm传输单元以及用于接收来自微控制器单元的控制信号并输出低压控制信号的低压逻辑块；绝缘部件，用于将低压pwm信号和低压控制信号分别升压为高压pwm信号和高压控制信号；以及高压部件，该高压部件通过绝缘部件与低压部件绝缘，其中，该高压部件包括：高压逻辑块，用于根据高压控制信号输出转换速率控制信号；转换速率控制器，用于控制隔离栅极驱动器外部的功率设备的栅极电压的转换速率，使得功率设备的栅极电压在上升沿或下降沿处具有取决于转换速率控制信号的转换速率；以及转换速率反馈单元，该转换速率反馈单元包括用于测量栅极电压的转换速率的转换速率测量单元并且允许转换速率控制器改变栅极电压的转换速率。

在该情况下，转换速率反馈单元进一步包括反馈信号生成单元，该反馈信号生成单元用于在由转换速率测量单元测量的栅极的转换速率不在基准范围中时生成转换速率改变信号，并且用于将转换速率改变信号输出至转换速率控制器，并且转换速率控制器基于转换速率改变信号来改变栅极的转换速率。

此外，转换速率反馈单元进一步包括通信单元并且通过通信单元将由转换速率测量单元所测量的转换速率值输出至高压逻辑块。

此外，高压逻辑块被配置为控制转换速率控制器以基于转换速率值改变栅极的转换速率。

此外，高压逻辑块通过低压逻辑块将转换速率值发送至微控制器单元，并且其中，微控制器单元检查转换速率值是否处于基准转换速率范围中并且生成用于控制转换速率控制器的控制信号。

因此，根据本发明，可基于来自微控制器单元的pwm信号和控制信号而被准确控制功率设备的导通/关闭斜率，并且可测量经控制的斜率以便将斜率改变为正确斜率。因此，可精确地控制导通/关闭期间的转换速率。此外，因为可在隔离栅极驱动器中执行通常由诸如连接至外部的电阻器的外部设备执行的栅极驱动电压的斜率控制，所以成本可通过合并传统外部设备而降低。此外，功率设备的栅极电压斜率(转换速率)可根据各种情形(过电流、短路等)而自动地进行最佳选择，并且有源镜像箝位(activemirrorclamp)功能可内置。因此，消耗大量功率的功率设备的稳定性可大大改进，并且效率可通过优化控制改进，其可改进车辆的燃料效率。

附图说明

图1是示出根据现有技术的功率设备驱动系统的电路图。

图2是示出根据本发明的实施方式的包括隔离栅极驱动器的功率设备驱动系统的电路图。

图3是示出转换速率控制器224的实例的详细电路图。

图4a和图4b是用于说明根据本发明的实施方式的转换速率测量方法的视图。

图5是示出根据本发明的另一个实施方式的功率设备驱动系统的电路图。

图6示出根据本发明的实施方式的转换速率反馈部分(slewratefeedbacksection)的示例性框图。

图7a和图7b是用于说明本发明的转换速率控制的示图。

<参考标号的说明>

210：低压部件

212：pwm传输单元

214：低压逻辑块

220：高压部件

222：高压逻辑块

224：转换速率控制器

242：低压比较器

244：高压比较器

612：计数器。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施方式。然而，应理解，本发明不限于所公开的实施方式，而是可体现为许多不同形式并且不应解释为限于本文中所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开将是全面和完整的以充分了解本公开。另外，为了说明的目的，在附图中，部件的尺寸会被放大或缩小。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。以下实施方式应被视为说明性的并非限制性的，并且本发明的范围不仅仅限于以下实施方式。

图2是示出根据本发明的实施方式的功率设备驱动系统200的示图。参考图2，根据本发明的实施方式的功率设备驱动系统200包括功率设备250、隔离栅极驱动器260以及微控制器单元(mcu)270。

微控制器单元270将pwm信号215发送至隔离栅极驱动器260以控制功率设备250。微控制器单元270接收来自隔离栅极驱动器260的用于监控各种感测信号的监控信号216，以检查传输的pwm信号215是否适当操作功率设备250。随后将详细描述监控信号216。

在该情况下，隔离栅极驱动器260包括低压部件210、高压部件220以及绝缘部件230。

低压部件210包括：pwm传输单元212，用于从微控制器单元270接收pwm信号并且将具有低电压(例如，5v的幅度)的低压pwm信号输出至绝缘部件230；以及低压逻辑块214，该低压逻辑块从微控制器单元270接收控制信号并且将具有低电压(例如，5v的幅度)的低压控制信号输出至绝缘部件230。

低压部件210通常由具有3v到5v电压的信号操作。低压逻辑块214使用通信线217接收来自微控制器单元270的用于转换速率控制器224的控制值。例如，通信线217可包括串行外围接口(spi)或集成电路(i2c)，并且通过绝缘部件230将控制值传输至高压部件220。此外，低压逻辑块214可再次将从高压逻辑块222接收的各种感测数据传输至微控制器单元270。

在绝缘部件230使低压部件210与高压部件220绝缘的同时，绝缘部件230将低压pwm信号和低压控制信号升压为具有高压信号的高压控制信号和高压pwm信号。此外，绝缘部件230将由高压逻辑块222提供的转换速率值转换为低压信号并且将低压信号提供至低压逻辑块214。

高压部件220包括：高压逻辑块222，用于基于所接收的高压控制信号输出用于控制转换速率控制器224的转换速率控制信号；转换速率反馈单元240，用于测量功率设备250的栅极电压的转换速率值并且将转换速率值提供至高压逻辑块；以及转换速率控制器224，用于根据所接收的转换速率控制信号将高压pwm信号转换为受转换速率控制的pwm信号。或者转换速率反馈单元240可测量功率设备250的栅极电压的转换速率值，基于转换速率值生成反馈信号并且基于反馈信号控制转换速率控制器224。

在该情况下，由转换速率控制器224所转换的转换速率控制pwm信号根据转换速率控制信号而在上升沿和/或下降沿处具有受控的转换速率。高压pwm信号的电压的范围通常为从15v至20v。低压部件210、高压部件220和隔离部件230优选地实现为单个芯片。

转换速率反馈单元240包括低压比较器242、高压比较器244以及反馈执行单元246。低压比较器242将功率设备250的栅极电压与基准低压vl相比较并且输出低压比较信号。高压比较器244将功率设备250的栅极电压与基准高压vh相比较并且输出高压比较信号。

参考图6，反馈执行单元246包括转换速率测量单元610、反馈信号生成单元620以及通信单元630。

转换速率测量单元610基于低压比较信号和高压比较信号来测量转换速率值。转换速率测量单元610可包括计数器612，该计数器用于测量功率设备250的栅极电压从低压改变为高压或从高压改变为低压所需的转换时间(transitiontime)。

反馈信号生成单元620可生成反馈信号，并且在生成的转换速率值偏离基准转换速率范围时将反馈信号输出至转换速率控制器224。转换速率控制器224可基于反馈信号改变转换速率。

通信单元630从高压逻辑块222接收指示反馈执行单元246是否在反馈信号生成单元620中生成反馈信号的控制信号。此外，通信单元630将所测量的转换速率值输出至高压逻辑块222。

随后将详细描述转换速率反馈单元240的反馈方法。

在下文中，将参考图3的转换速率控制器224的实例来详细描述转换速率控制器224的功能。

参考图3，转换速率控制器224可包括输入部分pwm_in、输出部分pwm_out、多个缓冲器320、340和360以及多个开关控制器310和330。在该实施方式中，转换速率控制器224包括已被描述作为实例的三个缓冲器。然而，能够将该实施方式修改为根据转换速率要被调整的步骤数量(即，根据所需的转换速率控制分解过程(slewratecontrolresolution))，使用各种数量的缓冲器。例如，在该实施方式中，能够通过使用三个缓冲器将转换速率调整斜率的八个步骤。

多个开关控制器310和330从高压逻辑块222接收转换速率控制信号和/或从转换速率反馈单元240接收反馈信号，并且可基于转换速率控制信号、反馈信号和pwm信号来控制多个开关单元322和323。

同时，每个缓冲器至少包括两个开关单元：第一开关单元322和第二开关单元323。

第一开关单元322连接至开关控制器310的输出并且可在开关控制器310的控制下闭合或打开。例如，当高压控制信号和/或反馈信号处于高压(“1”)并且pwm信号的电压也处于高压时，第一开关单元322闭合。或者当转换速率控制信号、反馈信号和pwm信号中的至少一个是低压时，第一开关单元322打开。在该情况下，当第一开关单元322闭合时，优选地，控制第二开关单元323打开。当第一开关单元322闭合时，高压单元220的电源电压hvdd施加至转换速率控制器224的输出pwm_out，以便将电流提供至功率设备250的栅极。

在该情况下，多个缓冲器包括至少第一缓冲器和第二缓冲器并且在第一缓冲器的第一开关单元中流动的电流不同于在第二缓冲器的第一开关单元中流动的电流的幅度。

第二开关单元323连接至开关控制器330的输出，并且可在开关控制单元330的控制下闭合或关闭。例如，在高压控制信号和/或转换速率控制信号处于高压(“1”)并且pwm信号的电压处于低压(“0”)时，第二开关单元323可闭合。在其他情况下，第二开关单元323可被控制为打开。在该情况下，当第二开关单元323闭合时，优选地，控制第一开关单元322打开。当第二开关单元323闭合时，高压部件220的接地hgnd连接至斜率控制单元224的输出pwm_out，并且电流开始流动至接地hgnd。

随着多个开关单元322、342和352中的连接至高压部件220的电源hvdd的闭合开关单元的数目增加，从高压部件220的电源hvdd的电流的供给也增加，并且提供至功率设备250的栅极的电压在栅极信号的上升沿处快速上升(即，上升沿的转换速率变得较大)。相反，随着多个开关单元323、343和353中的连接至高压部件220的接地(hgnd)的闭合开关单元的数目增加，从功率设备250的栅极流动至高压部件220的接地(hgnd)的电流也增加，使得栅极电压在pwm信号的下降沿处快速降低(即，下降沿处的转换速率变得较大)。

在下文中，将参考图2、图3、图7a和图7b描述本发明的pwm信号的转换速率控制的效果。

为了说明，假定如同图7a的pwm信号施加至功率设备250的栅极。在该情况下，图7b是用于由图7a中的虚线圈表示的pwm信号的下降沿部分的放大图。

参考图2、图3和图7b，当缓冲器320、340和360的所有的第二开关单元323、343和353都闭合时(参见线711)，pwm信号的栅极电压非常快速地下降。在只有缓冲器320、340和360的第二开关单元323、343和353中的具有最小电流流动量的第二开关单元353闭合的情况下，pwm信号的栅极电压非常缓慢地下降(参见线713)。即，当电流可流经其的所有通道的开关闭合时，栅极电压快速下降，并且当电流流经的通道的开关的数目降低时，栅极电压缓慢下降。在上升沿上，相同原理可被应用以控制栅极电压的pwm信号的转换速率。

因为栅极电压可在下降沿处非常快速地下降，所以用于快速下降的有源镜像箝位的功能可由本发明的转换速率控制器224替代。

此外，本发明的转换速率控制器224也可执行软关闭功能，该软关闭功能在出现过电流或短路时降低栅极电压下降(关闭)的斜率。此外，也能够不管外部条件或负载如何，都设置适当斜率。

在下文中，将参考图4a和图4b描述根据本发明的实施方式的转换速率测量方法。在图4a和图4b中，tf1和tf2表示下降时间。

如上所述，转换速率反馈单元240包括高压比较器244和低压比较器242。高压比较器244将功率设备250的栅极电压与基准高压vh相比较并且输出高压比较信号。低压比较器242将功率设备250的栅极电压与基准低压vl相比较并且输出低压比较信号。为了便于说明，假定当功率设备250的栅极电压高于比较电压时，低压比较器242和高压比较器244输出高压(“1”)。然而，本领域技术人员也可适当配置比较器的输出。

为了简化说明，高压比较信号和低压比较信号都是高压(“1”)的区域被称为c区域(高压区域)。高压比较信号是高压并且低压比较信号是低压(“0”)的区域被称为b区域(转换区域)。并且高压比较信号和低压比较信号都是低压的区域被称为a区域(低压区域)。

如图4a所示，当功率设备250的栅极电压从c区域进入区域b(即，电压开始从高压区域下降的时刻)时，转换速率测量单元610开始计数转换时间。例如，计数可被执行，使得计数器612计数在转换时间期间提供至转换速率测量单元610的时钟的数量。当功率设备250的栅极电压从b区域进入a区域时，该计数终止。当测量出从计数的开始至结束的转换时间tf1时，可计算出转换速率，因为基准高压vh和低压vl早已是已知的。

如图4b所示，当功率设备250的栅极电压从a区域进入b区域时(即，在电压开始在低压区域中上升时)，转换速率测量单元610的计数器612开始计数。例如，计数可被执行，使得计数器612计数在转换时间期至提供至转换速率测量单元610的时钟的数量。当功率设备250的栅极电压从b区域进入c区域时(即，当电压进入高压区域时)，该计数结束。当测量出从计数的开始至结束的转换时间tf2时，转换速率可被计算，因为基准高压vh和低压vl早已已知。

因此，转换速率测量单元610可通过测量从高压区域至低压区域或者从低压区域至高压区域的转换时间来确定转换速率。

可以以以下三种方式利用经测量的转换速率值。

首先，转换速率值由通信单元630通信至高压逻辑块222，并且转换速率控制信号在高压逻辑块222中改变以控制转换速率控制器224。在该情况下，通信单元630可将tf1与tf2之间的计数时间值输出至高压逻辑块222。可替代地，tf1与tf2之间的计数时间值可与基准范围相比较，并且转换为更高转换速率信号、更低转换速率信号或保持信号(转换速率改变信号)，并且将它们发送至更高电压逻辑块222。

高压逻辑块222可根据所接收的转换速率值(例如，时间值)或转换速率改变信号来改变转换速率控制信号，并且可将控制信号输出至转换速率控制器224。

第二种方法是从通信单元630向高压逻辑块222输出转换速率值，并且通过低压逻辑块214将输出的转换速率斜率值递送至微控制器单元270。在该情况下，微控制器单元270可确定转换速率是否被准确控制。微控制器单元270也可经由低压逻辑214通过再次将转换速率控制信号发送至高压逻辑块222而控制转换速率控制器224。

最后一种方法是转换速率反馈单元240本身执行向转换速率控制器224的反馈。在该情况下，转换速率反馈单元240可根据由高压逻辑块222接收的转换速率控制信号检查转换速率是否被准确控制。此外，当转换速率未被精确控制时，转换速率改变信号可被反馈至转换速率控制器224。

在下文中，将参考图5描述本发明的另一实施方式。根据图5的功率设备驱动系统200进一步包括单独栅极驱动器420。

参考图5，隔离栅极驱动器260包括低压部件210、高压部件220和绝缘部件230。在该情况下，高压部件220包括用于驱动单独的栅极驱动器420的预驱动器410。预驱动器410通过绝缘部件230从pwm信号212接收电压升压pwm信号。

单独的栅极驱动器420通过从预驱动器410接收的pwm信号向功率设备250输出栅极驱动电压。当与从隔离栅极驱动器260提供的pwm信号相比，需要更大电流时，使用单独栅极驱动器420，因为大电流应被提供以驱动功率设备250。

在使用连接至隔离栅极驱动器的外部的功率设备时，为了功率设备的稳定性以及系统的稳定性，本发明可自动控制栅极驱动电压的转换速率。传统地，固定值的转换速率用于控制外部功率设备，但是根据本发明，各种转换速率可根据操作状态进行内部自动控制和设置，并且内部控制值。因为施加至功率设备250的栅极的转换速率可精确已知，所以准确的转换速率控制是可能的。

尽管已相对于目前被视为实用的示例性实施方式描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所公开的实施方式，而是相反，应理解，本发明不限于所公开的实施方式并且旨在覆盖各种变型和相类似物。因此，本发明的范围不应内解释为限于所描述的实施方式，并且应理解的是，本发明的范围不仅覆盖所附专利所要求保护的权利要求而且也覆盖其等同物。