专利名称：有源栅极驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及栅极驱动器，具体地涉及利用电流和电压斜率的闭合控制回路的栅极驱动器。
背景技术：
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块被广泛用于感应(硬)开关电压源电力电子转换器，例如驱动器、开关式电源或固态变压器。下述需求是IGBT的栅极驱动的挑战性任务:最小化IGBT的开关损耗，使电流条件和电压条件保持在安全工作区(S0A)，例如限制关断过电压和在导通期间的峰值反向恢复电流，以及限制电磁干扰(EMI)。设置导通下的集电极电流斜率dic/dt使得能够限制峰值反向恢复电流，并且关断期间的dic/dt限定了由于跨总换向回路电感L。的电压降而产生的过电压。为了提供电磁兼容(EMC)，根据具体情况，dic/dt和集电极-发射极电压斜率dvCE/dt必须被限制为指定值。分别针对导通和关断的独立的电流斜率和电压斜率控制使得栅极驱动能够在保持在SOA且提供EMC的同时以最小的开关损耗在所有操作点最佳地开关IGBT。另外，如果直接串联或并联连接IGBT模块，对dveE/dt或die/dt的控制使得能够进行对称的电压或电流的共享。调节IGBT的开关速度的简单且常见的方式是将附加的无源元件插入到电路中。附加的栅极电阻Re使栅极电流减小，并且因此也使电流斜率和电压斜率二者减小，额外的密勒电容Cee使(Ivra/dt降低,添加的栅极-发射极电容Cee使di。/dt减慢。该方法通常由于多于所需的栅极电荷量而导致过度的开关损耗或者导致增加的延迟以及栅极驱动损耗。为避免附加的栅极驱动损耗，可以使用前馈栅极电压形状生成器[I]来调节di。/dt。但是，在该方法中电压斜率的可控性较小。在开关瞬变期间影响栅极电流的进一步的可能性是例如可切换或可调节的栅极电阻器、电流源/宿(sink)或栅极电压。因为这种具有可调节的输出级的栅极驱动器的实现必须确保在SOA内的操作，例如针对所有操作条件(变化的Tj, ic, vCE)受限的dic/dt和dvra/dt，所以对于大多数操作点，不能实现期望的最佳电流斜率和电压斜率，从而导致增加的开关损耗。另外，半导体的系统状态，例如从电流瞬变至电压瞬变的转变以及相反的转变，必须在附加的复杂电路中被最精确地检测出，从而能够独立地调节die/dt和dveE/dt。缺少对IGBT的非线性和对操作点的依赖性的补偿是所有这些开环控制拓扑结构的进一步以及主要的缺点。IGBT的跨导gm实际上随着栅极电压&而变化，并且结温Tj以及电容值Cfc和Cec两者取决于施加的电压，特别是密勒电容。因此通过开环方法，不能获得准确限定且恒定的电流斜率和电压斜率。因此，应用带反馈的拓扑结构以实现更精确的控制。由于简单且高带宽的测量电路，借助于dic/dt和dvCE/dt控制拓扑结构来实现关于模拟控制带宽的最佳性能，易于生成恒定的参考值和简单的控制放大器级。提出了仅dic/dt控制的不同实现或者针对导通或关断期间的电流或电压斜率控制的单独的解决方案[2]。在[3]中提出了一种导通和关断dic/dt和dvCE/dt控制的全面的方案。由于通过大量双极晶体管的实现以及对控制回路的有源的检测和选择，所以性能被限制到200Α/μ s和 IkV/μ S。
发明内容
本发明的目的是提供一种驱动方法及实现该方法的驱动器电路，以缓解上述缺点。本发明的目的通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法及电路来实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。本发明基于如下思想:使用单个的控制栅控元件的die/dt和dvra/dt两者的PI控制器。由于导通和关断过程的性质，不是集电极电流就是集电极-发射极电压每次改变，从而使得能够使用仅一个PI控制器。本发明的有源栅极驱动提供了使用简单硬件实现的高度动态控制。对于硬件实现，只需要简单的测量电路、在整个开关操作期间的恒定参考信号和一个单个的控制放大器。由于从dic/dt控制至dvo/dt控制的自然状态转换和相反的转换，因此在提供最大模拟控制带宽的开关瞬态期间不需要控制回路的有源改变。通过本发明，可以使用简单的结构来控制集电极电流的变化率和集电极-发射极电压的变化率。受控制的变化率确保了与高变化率或过度损耗相关的问题得以处理。
下面，将参照附图借助于优选实施方式对本发明进行更详细的描述，在附图中:图1示出了针对a)导通和b)关断的感应开关瞬态的示意性电流和电压波形；图2示出了结合的电流和电压斜率控制的框图；图3示出了有源栅极驱动的示意图的示例；图4示出了削波电路的示意图的示例；图5示出了针对不同的负载电流在导通期间测量的集电极电流i。、集电极-发射极电压Vce和栅极驱动器输出电压；图6示出了针对不同的电压斜率在导通期间测量的集电极电流i。和集电极-发射极电压Vce ;以及图7示出了针对不同的电流斜率在导通期间测量的集电极电流i。和集电极-发射极电压Vce。
具体实施例方式如图1中所描绘和表I中所描述的那样，IGBT的感应(硬)开关瞬态的主要特征在于，对于导通和关断操作，电流变化和电压变化的区段总是彼此接替。
权利要求
1.一种用于控制栅控元件(30)的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括适于接收输入参考信号(vMf,d/dt)并且控制所述栅控元件的栅极电压的PI控制器(31)，其特征在于，所述栅极驱动电路还包括: 用于所述PI控制器(31)的第一反馈回路，所述第一反馈回路适于根据所述栅控元件(30)的集电极-发射极电压(Vra)的时间导数来提供反馈，所述第一反馈回路包括第一增益(kv), 用于所述PI控制器(31)的第二反馈回路，所述第二反馈回路适于根据所述栅控元件(30)的集电极电流(ic)的时间导数来提供反馈，所述第二反馈回路包括第二增益(kj，其中 所述第二反馈回路包括削波电路(32)，所述削波电路适于当所述集电极电流的所述时间导数为负时，在所述栅控元件(30)导通期间修改所述第二反馈回路中的反馈信号。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述栅极驱动电路还包括适于使用所述PI控制器(31)的栅极电流控制回路，所述栅极电流控制回路接收来自所述栅极电流的反馈信号，并且能够连接以在导通延迟和关断延迟期间控制所述栅极电流。
3.根据权利要求1或2所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述栅极驱动电路还包括缓冲电路(BUF)，用于放大来自所述PI控制器的输出信号以驱动所述栅控元件(30)。
4.根据权利要求1、2或3所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述削波电路(32)包括用于使能所述削波电路的受控元件。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述削波电路一旦被使能，就限制所述输出。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的栅极驱动电路，其特征在于，通过使用所述第一反馈回路中的电容器来将所述集电极-发射极电压的所述时间导数确定为电压电平，所述电容器响应于所述集电极-发射极电压的变化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的栅极驱动电路，其特征在于，根据已知电感上的电压、优选地根据所述发射极的寄生焊线电感上的电压来将所述集电极电流的所述时间导数确定为电压电平。
8.—种用于通过使用PI控制器(31)来控制栅控元件(30 )的方法，所述PI控制器(31)适于接收输入参考信号(vMf, d/dt)并且控制所述栅控元件的栅极电压，其特征在于，所述方法: 将所述输入参考信号(vMf, d/dt)提供给所述PI控制器， 根据所述栅控元件(30)的集电极-发射极电压(Vra)的时间导数获得用于所述PI控制器(31)的第一反馈信号， 根据所述栅控元件(30)的集电极电流(i。)的时间导数获得用于所述PI控制器(31)的第二反馈信号， 当所述集电极电流的所述时间导数为负时，在所述栅控元件(30)的导通期间修改所述第二反馈回路中的所述反馈信号。
全文摘要
一种用于控制栅控元件(30)的栅极驱动电路及方法，该栅极驱动电路包括PI控制器(31)，所述PI控制器适于接收输入参考信号(vref，d/dt)并控制栅控元件的栅极电压。该栅极驱动电路还包括用于PI控制器(31)的第一反馈回路，适于根据栅控元件(30)的集电极-发射极电压(vCE)的时间导数来提供反馈，第一反馈回路包括第一增益(kv)；用于PI控制器(31)的第二反馈回路，适于根据栅控元件(30)的集电极电流(iC)的时间导数来提供反馈，第二反馈回路包括第二增益(ki)，其中，第二反馈回路包括削波电路(32)，该削波电路适于当集电极电流的时间导数为负时，在栅控元件(30)的导通期间修改第二反馈回路中的反馈信号。
文档编号H03K17/567GK103208984SQ20131000996
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月10日 优先权日2012年1月13日
发明者亚尼克·洛布西格尔, 约翰·沃尔特·科拉尔, 马蒂·莱蒂宁 申请人:Abb研究有限公司