专利名称：开关元件驱动装置及开关元件驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种用于适于在开关元件中检测到过电流的情况的开
关元件的驱动技术。
背景技术：
公知有一种在短路时保护诸如绝缘栅双极性晶体管(IGBT)等等 的半导体开关元件的方法(参见例如，"APPLICATION NOTES", AN-984J (第五页上的图5)， IR (国际整流器)协会)。根据所描述的保护方法，如 果发生例如负载短路等等的故障，则栅极驱动电压快速地降低到特定水平， 然后如果在一个时间段之后，故障持续存在，则栅极驱动电压被切断。该技 术旨在减小故障电流因而延长故障验证期间。然而，在上述现有技术中，伴随过电流的检测的是栅极电压的快 速下降，而不考虑开关元件的导通状态。因此，即使当过电流在栅极电压还 没有充分上升的导通过程的初期被检测到时，栅极电压也快速下降。如果当 栅极电压还没充分上升时栅极电压就快速下降，则开关元件被快速关断，以 使关断浪涌电压增大。
发明内容
本发明提供了执行适当的保护操作以免受在完全导通状态的过程 中发生的过电流以及在导通的初期过程中发生的过电流的开关元件驱动装置 以及开关元件驱动方法。根据本发明的一个方案的开关元件驱动装置的特征在于包括过 电流检测器件，其用于检测流经开关元件的过电流；第一栅极电压降低器件， 其用于以比正常关断时栅极电压的下降速率快的速率来降低开关元件的栅极 电压；第二栅极电压降低器件，其用于以比正常关断时栅极电压的下降速率 慢的速率来降低开关元件的栅极电压；以及栅极电压监控器件，其用于监控 开关元件的栅极电压，其中如果当过电流被过电流检测器件检测到时由栅极电压监控器件判断出栅极电压大于预定值，则栅极电压通过第一栅极电压降 低器件来降低，然后在开关元件保持导通状态的同时，栅极电压通过第二栅 极电压降低器件来降低，其中如果当过电流被过电流检测器件检测到时由栅 极电压监控器件判断出栅极电压小于或等于预定值，则栅极电压仅通过第二 栅极电压降低器件来降低。根据本发明的另一个方案的开关元件驱动方法的特征在于当流 经开关元件的过电流被检测到时，如果开关元件的栅极电压大于预定值，则 引起以比正常关断时栅极电压的下降速率快的速率来降低开关元件的栅极电 压的快速关断操作，然后在开关元件保持导通状态的同时引起以比正常关断 时栅极电压的下降速率慢的速率来降低开关元件的栅极电压的慢关断操作， 以及，如果当流经开关元件的过电流被检测到时开关元件的栅极电压小于或 等于预定值，则仅通过慢关断操作来降低栅极电压。根据本发明的这些方案，能够执行适当的保护操作以免受在开关
元件的完全导通状态的过程中发生的过电流以及在导通的初期过程中发生的 过电流的影响。
结合附图，通过对示例性实施例的下列描述，本发明的上述以及 进一步的目的、特征和优点将变得显而易见，其中，相似的附图标记用于表
示相似的元件，并且其中
图1为表示根据本发明的开关元件驱动装置的实施例的图2为表示当电力元件10通过超过栅极电阻Rn的栅极电阻来关断时的
运行情况的图3为表示在电力元件10完全导通的同时过电流流动的情况下的保护操 作的图4为表示在电力元件10正在导通的同时过电流流动的情况下的相关技 术领域的保护操作的图5为表示在电力元件10正在导通的同时过电流流动时根据本发明的实 施例的保护操作的图6表示电力元件10的Ice-Vce静态特性；以及
图7表示根据本发明的开关元件驱动方法的实施例。
具体实施例方式以下，将结合附图来描述本发明的示例性实施例。图1为表示根 据本发明的开关元件驱动装置的实施例的图。所述实施例的开关元件驱动装 置驱动例如绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、电力MOSFET等等(以下，称为 "电力元件10")的电压驱动型半导体开关元件。所述实施例的开关元件驱 动电路包括导通晶体管P-Tr,例如作为用于导通电力元件10的器件的p-沟 道FET等等，并且还包括关断晶体管N-Tr,例如作为用于关断电力元件10 的器件的n-沟道FET等等。以下，导通晶体管P-Tr将被称为"晶体管PTr"， 而关断晶体管N-Tr将被称为"晶体管NTr"。当本实施例的开关元件驱动电路的控制电路30从例如微型计算机 等等的外部设备接收到导通电力元件10的指令时，控制电路30导通晶体管 PTr并且关断晶体管NTr。当晶体管PTr被导通并且晶体管NTr被关断时， 电力元件10的栅极经由晶体管PTr以及栅极电阻Rp被电源27充电。如果 电力元件10的栅极的充电量大于预定值，则电力元件10被导通。另一方面，如果控制电路30从例如微型计算机等等的外部设备接 收到关断电力元件10的指令，则控制电路30关断晶体管PTr并且导通晶体 管NTr。当晶体管PTr被关断并且晶体管NTr被导通时，电力元件10的栅极 的电荷经由晶体管NTr和栅极电阻Rn来释放。当电力元件10的栅极的充电 量小于或等于预定值时，电力元件10关断。此外，本实施例的开关元件驱动电路包括过电流检测器件26，其 用于通过电力元件10来检测过电流以便防止可能在过电流流经电力元件10 时由于例如负载短路等等的故障而发生的电力元件10或其外围电路的损坏。 过电流检测器件26通过灵敏绝缘栅双极性晶体管(IGBT)系统、分流电阻 系统等等来检测过电流。在灵敏IGBT系统中，流经电力元件10的主电流基 于通过连接到灵敏IGBT的发射器(或连接到源极)的灵敏电阻的电压来检 测。在分流电阻系统中，流经电力元件10的主电流基于通过串联插入主电流 流经的路径的分流电阻产生的电压来检测。灵敏电阻或分流电阻的电压通过 比较器与参考电压进行比较。如果灵敏电阻或分流电阻的电压高于参考电压， 则可以认为检测到的主电流过高，也就是说，过电流正在流经电力元件IO。当过电流检测器件26检测到过电流时，流经电力元件10的电流 Ice比没有检测到过电流的正常情况大。在这种情况中，如果电力元件10以与正常情况相同的方式，即如上所述通过导通晶体管NTr来被关断，则通过 电力元件10的比正常大的电流Ice带来较大的电流变化率"dlce/dt"，电流变 化率"dlce/dt"引起了比正常关断时大的作为与导线、驱动对象负载等等的 电感L的乘积的"L*dlce/dt"的浪涌电压。这种关断浪涌电压由于超过其耐 电压而可能损坏电力元件10或其外围电路。为了减小可能损坏电力元件IO或其外围电路的这种关断浪涌，当 过电流被过电流检测器件26检测到时，可以通过经由比连接在电力元件10 的栅极与晶体管NTr之间的栅极电阻Rn大的栅极电阻而使电力元件10的栅 极放电来关断电力元件10。因此，由于更大的栅极电阻，放电时间被增加， 这减小了电流的变化率"dlce/dt"。图2为表示当经由比栅极电阻Rn大的栅 极电阻来关断电力元件10时的运行情况的图。然而，如图2所示，由于较大 的栅极电阻增加了关断时间，所以经由比栅极电阻Rn大的栅极电阻来关断 电力元件10导致增加的关断损耗，并且可能通过热而使电力元件10损坏。因此，为了抑制关断浪涌以及关断损耗的增加，电力元件10的关 断的控制分为多个阶段。在所述实施例的开关元件驱动装置中，电力元件IO 的关断分为两个阶段第一步和第二步。本实施例的开关元件驱动装置包括 在第一步中工作的例如n-沟道FET等等的过电流时关断用OC-Trl (过电流 晶体管)，以及在第二步中工作的例如n-沟道FET等等的过电流晶体管 0C-Tr2。如果过电流被过电流检测器件26检测到，则过电流晶体管OC-Trl 和过电流晶体管OC-Tr2释放电力元件10的栅极的电荷。以下，过电流晶体 管OC-Trl将称为"晶体管OCTrl"，而过电流晶体管OC-Tr2将称为"晶体 管OCTr2"。如果过电流检测器件26检测到过电流，则所述实施例的开关元件 驱动电路的控制电路30操作晶体管OCTrl作为第一步，以使电力元件10的 栅极的电荷经由栅极电阻Rocl来释放，并且因此栅极电压Vge快速地下降 到不低于电力元件10变得完全关断时的阈值电压的电压。为了使栅极电压 Vge的下降比正常关断的情况更快，使得栅极电阻Rocl的电阻值小于栅极 电阻Rn的电阻值。这样，图6中示出的电力元件10的Ice-Vce静态特性上 的工作点从P1点移动至P2点，以使流经电力元件10的电流Ice的峰值电流 被抑制并且关断损耗被减小。为了使电力元件10的栅极电压Vge的下降停 止在不低于电力元件10变得完全关断时的阈值电压，可以采取多种措施。例
7如，可以使用定时器等等以使电压的下降在经过固定时间后停止，或可以同
时导通晶体管PTr和晶体管OCTrl,以使栅极电压Vge变为由电阻Rp和电 阻Rocl确定的电源电压27的分压值。在第一步中抑制电流Ice的峰值电流达一定时间以后，所述实施例 的开关元件驱动电路的控制电路30关断在第一步中工作的晶体管OCTrl， 然后在第二步中导通晶体管OCTr2。通过导通晶体管OCTr2，电力元件10 的栅极的电荷经由晶体管OCTr2和栅极电阻Roc2释放以缓慢地减小电力元 件10的栅极电压。为了比正常关断的情况更缓慢地减小栅极电压Vge，使得 栅极电阻Roc2的阻值大于栅极电阻Rn的阻值。这样，如图3所示，电力元 件10经受慢关断操作，以便关断浪涌电压的增加被抑制而不引起大的电流变 化率"dlce/dt"。然而，当过电流在电力元件10的栅极电压Vge在导通过程中充分 上升之前被过电流检测器件26检测到时，经由栅极电阻Rocl比正常快地释 放电力元件10的栅极的电荷的操作晶体管OCTrl的第一步将导致还没有充 分上升的栅极电压Vge由于电力元件10的完全关断而减小到阈值电压以下 的电压的情况，也就是说，晶体管OCTrl的工作将关断电力元件10而不是 抑制峰值电流。因此，如图4所示，关断浪涌电压将增加，所以电力元件10 的预期保护是不可能的。为了避免这点，如果栅极电压Vge小于或等于预定的监控电压， 则所述实施例的开关元件驱动电路监控栅极电压Vge，并且仅执行第二步操 作而不执行第一步操作。因此，如图5所示，当过电流在电力元件10的栅极 电压Vge在导通的过程中充分上升之前被过电流检测器件26检测到时，不 会使电力元件10经受快速关断操作而是使其经受慢关断操作，以使关断浪涌 电压的增加能够被抑制。这时，因为通过电力元件10的电流Ice仍然小，关 断损耗充分小于过电流在完全导通状态的过程中被检测到的情况。因此，可 靠地实现了电力元件10的预期保护。附带地，关断浪涌电压的幅值和关断损耗变化的幅值根据由电力 元件10驱动的负载等等的电感以及各种电路元件的电阻常数和寄生电容而 变化。因此，用于判断是否执行第一步操作以及第二步操作的预定监控电压 应该通过根据作为保护对象的开关驱动电路的仿真来判断。作为其最低要求， 监控电压为大于电力元件10开始导通的栅极电压，并且小于电力元件10开
8始完全导通的栅极电压的值。例如，在电力元件10开始导通的栅极电压为
5V而电力元件10开始完全导通的栅极电压为15V的情况中，监控电压可以 被适当地设定为8至12V。图7示出了根据本发明的开关元件驱动方法的实施例。如果过电 流被过电流检测器件26检测到(步骤10)，则控制电路30基于栅极电压是 否小于或等于预定值来改变降低栅极电压的方法(步骤S20)。如果栅极电压 没有小于或等于预定值，则假定电力元件10完全导通，并且控制电路30执 行第一步操作，然后是第二步操作(步骤S30和步骤S40)。另一方面，如果 栅极电压小于或等于预定值，则假定电力元件没有完全导通，控制电路30 仅执行第二步操作(S50)。因此，根据上述实施例，当已经发生了电力元件的过电流故障而 由于增大的关断浪涌电压或增大的关断损耗没有损坏电力元件等等时，为了 关断电力元件而执行第一步操作和第二步操作。然而，当过电流在电力元件 的导通过程中被检测到时，不执行第一步的操作，而仅执行第二步的操作。 因此，关断浪涌电压的增大以及关断损耗的增大都被抑制，并且不管是在电 力元件的导通过程的初期还是在完全导通状态等等的过程中都稳定地执行免 受过电流影响的保护操作。虽然已经结合示例性实施例对本发明进行了描述，但应该理解的 是，本发明不局限于所描述的实施例或构造。与此相反，本发明旨在覆盖各 种改进以及等同结构。另外，虽然在多种组合和结构中示出了示例性实施例 的多种元件，但是包括更多、更少或仅有单个元件的其它组合和结构也在本 发明的精神和范围内。
权利要求
1、一种开关元件驱动装置，其特征在于包括过电流检测器件，其用于检测流经开关元件的过电流；栅极电压监控器件，其用于监控所述开关元件的栅极电压；第一栅极电压降低器件，其用于以比正常关断时所述栅极电压的下降速率快的速率来降低所述开关元件的所述栅极电压；第二栅极电压降低器件，其用于以比所述正常关断时所述栅极电压的所述下降速率慢的速率来降低所述开关元件的所述栅极电压；以及控制装置，当所述过电流检测器件检测到所述过电流时，如果通过所述栅极电压监控器件判断出所述栅极电压大于预定电压，则所述控制装置通过所述第一栅极电压降低器件来降低所述栅极电压，然后在所述开关元件保持导通时通过所述第二栅极电压降低器件来降低所述栅极电压，而当所述过电流检测器件检测到所述过电流时，如果通过所述栅极电压监控器件判断出所述栅极电压小于或等于所述预定值，则所述控制装置仅通过所述第二栅极电压降低器件来降低所述栅极电压。
2、 一种开关元件驱动方法，其特征在于包括 检测流经开关元件的过电流；如果检测到流经所述开关元件的过电流，则检测所述开关元件的栅极电压；如果检测到的所述开关元件的栅极电压大于预定值，则引起以比正常关 断时所述栅极电压的所述下降速率快的速率来降低所述开关元件的所述栅极 电压的快速关断操作，并且，然后在所述开关元件保持导通状态时引起以比 所述正常关断时所述栅极电压的所述下降速率慢的速率来降低所述开关元件 的所述栅极电压的慢关断操作；以及如果检测到的所述开关元件的栅极电压小于或等于所述预定值，则仅通 过所述慢关断操作来降低所述栅极电压。
3、 一种开关元件驱动装置，包括 过电流检测装置，其检测流经开关元件的过电流； 栅极电压监控装置，其监控所述开关元件的栅极电压；第一栅极电压降低装置，其以比正常关断时所述栅极电压的下降速率快 的速率来降低所述开关元件的所述栅极电压；第二栅极电压降低装置，其以比所述正常关断时所述栅极电压的所述下 降速率慢的速率来降低所述开关元件的所述栅极电压；以及控制装置，当所述过电流检测装置检测到所述过电流时，如果通过所述 栅极电压监控装置判断出所述栅极电压大于预定电压，则所述控制装置通过 所述第一栅极电压降低装置来降低所述栅极电压，然后在所述开关元件保持 导通时通过所述第二栅极电压降低装置来降低所述栅极电压，而当所述过电 流检测装置检测到所述过电流时，如果通过所述栅极电压监控装置判断出所 述栅极电压小于或等于所述预定值，则所述控制装置仅通过所述第二栅极电 压降低装置来降低所述栅极电压。
全文摘要
一种开关元件驱动装置，具有以比正常关断的过程中快的速率来降低电力元件(10)的栅极电压的第一晶体管(24)，以及以比正常关断的过程中慢的速率来降低所述电力元件(10)的所述栅极电压的第二晶体管(25)。如果当所述电力元件(10)中的过电流被过电流监测器件(26)检测到时由栅极电压监控器件(21)检测到的栅极电压大于预定值，则通过第一晶体管(24)来降低所述栅极电压，然后在所述电力元件(10)保持导通的同时通过所述第二晶体管(25)来降低所述栅极电压。如果当所述电力元件(10)中的过电流被过电流监测器件(26)检测到时由所述栅极电压监控器件(21)检测到的所述栅极电压小于或等于预定值，则仅通过所述第二晶体管(25)来降低所述栅极电压。
文档编号H03K17/16GK101512902SQ200780032183
公开日2009年8月19日 申请日期2007年9月4日 优先权日2006年9月5日
发明者小杉肇, 山脇秀夫 申请人:丰田自动车株式会社