向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的装置及方法

文档序号:7542520阅读:197来源:国知局
向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的装置,包含多个可选择地连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路,以及用于选择将一个或多个所述栅极阻抗电路连接到所述半导体开关器件的选择器。此外,还提供了一种向半导体开关器件栅极提供驱动信号的方法,该方法包含:基于一个或多个工作条件以及与所述一个或多个工作条件相关的存储数据来选择一个或多个连接到半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路,和将所选择的一个或多个所述栅极阻抗电路连接至所述半导体开关器件。
【专利说明】向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的装置及方法。
【背景技术】
[0002]半导体器件驱动装置一般用于产生三相交流电压以通过变速传动装置驱动同步电机。该驱动装置可用于电动车,但也可作为其他用途用于其它领域。半导体器件驱动装置可采用多个栅极驱动半导体器件,如IGBT (绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET (金属氧化物半导体场效应管)。
[0003]IGBT和MOSFETs是由栅极一发射极电压Vge驱动的半导体器件,并能够通过向栅极施加电压信号进行导通和关断。“导通”是指集电极一发射极从断开状态转换为导通状态。“关断”是指集电极一发射极从导通状态转换为断开状态。
[0004]以下专利文件为现有的、用于控制驱动装置中半导体器件开关动作的驱动装置的示例:欧洲专利申请号2418776 ;国际专利申请号W02008/153631,欧洲专利申请号EP1881587和欧洲专利申请号0817381。但这些用于控制半导体开关器件的半导体器件驱动装置不是在所有的运行条件中都适用,具有一定的局限性。

【发明内容】

[0005]为克服上述所述的问题,一方面,本发明提供了一种向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的半导体器件驱动装置,所述半导体器件驱动装置包含:
[0006]多个可选择地连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路,以及
[0007]用于选择将一个或多个所述栅极阻抗电路连接到所述半导体开关器件的选择器。
[0008]上述半导体器件驱动装置还包含微处理器,用以控制对所述栅极阻抗电路的选择,所述微处理器存储有用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序。
[0009]上述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序与一个或多个特定的工作条件有关。
[0010]上述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体开关器件所要求的输出相电流为基础。
[0011]上述用于确定选择一个或多点所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体器件驱动装置连接至负载的电缆的长度为基础。
[0012]上述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体开关器件所要求的工作开关频率为基础。
[0013]上述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述驱动装置的所述半导体开关器件为基础。
[0014]上述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体开关器件的集电极电流为基础,所述集电极电流在开关过程中保持功率损耗相对恒定。
[0015]上述一个或多个所选择的栅极阻抗电路在所述半导体开关器件的开关动作之前连接至所述半导体开关器件。
[0016]上述半导体器件驱动装置进一步还包含半导体开关器件。
[0017]上述存储程序包含查询表,所述查询表定义了针对特定条件所选择的一个或多个栅极阻抗电路。
[0018]另一方面,本发明提供了一种变速传动装置,所述变速传动装置包含上述的半导体器件驱动装置。
[0019]第三方面,本发明提供了一种向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的方法,该方法包含:基于一个或多个工作条件以及与所述一个或多个工作条件相关的存储数据来选择一个或多个连接到半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路;和将所选择的一个或多个所述栅极阻抗电路连接至所述半导体开关器件。
[0020]所选择的一个或多个栅极阻抗电路在所述半导体开关器件的开关动作之前连接至所述半导体开关器件。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]通过以下对附图的描述,本实用新型实施方式的特征和优点将变得更加容易理解,其中
[0022]图1展示了一种半导体器件驱动装置的示例;
[0023]图2具体地展示了半导体器件驱动装置的第一实施例;
[0024]图3展示了将被执行用以确定所连接的栅极阻抗电路的程序的示例;
[0025]图4展示了半导体开关器件导通过程中的集电极电流Ic的示例;
[0026]图5展示了半导体开关器件导通过程中的集电极一发射极电压Vce的示例;
[0027]图6展示了半导体开关器件导通过程中的栅极一发射极电压Vge的示例;
[0028]图7展示了半导体开关器件关断过程中的集电极电流Ic的示例;
[0029]图8展示了半导体开关器件关断过程中的集电极一发射极电压Vce的示例;及
[0030]图9展示了半导体开关器件关断过程中的栅极一发射极电压Vge的示例。
【具体实施方式】
[0031]下面对优选实施方式的描述仅仅是示范性的,而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。在各个附图中采用相同的附图标记来表示相同的部件,因此相同部件的构造将不再重复描述。
[0032]以下结合附图以及【具体实施方式】对本实用新型的技术方案做进一步说明。
[0033]如图1所示,半导体器件驱动装置100包含半导体开关器件2(例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或M0SFET)、开关装置4、驱动电压源6和微处理器8。微处理器8控制开关装置4的开关动作以及电压源6,以有效地开关半导体开关器件2并为负载10产生驱动信号。为简单起见,图1中的驱动装置100包含单一的半导体开关器件2 (例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或M0SFET)。但是需要认识到,驱动装置100可包含多个半导体开关器件2 (例如绝缘栅双极型晶体管IGBT或M0SFET),并具有相关的开关装置4和微处理器8控制的驱动电压。
[0034]图2展示了关于开关装置4和电压源6的实施例以及进一步的详情信息。优选地,给每个IGBT栅极驱动提供多个栅极电阻和电容网络。
[0035]开关装置4包含多个栅极阻抗电路40,42以及多个二极管44,46。其中,二极管44和二极管46用于控制在开关器件2导通或关断时的电流。在导通状态时,电流流经开关器件2的导通环路的栅极阻抗电路40。在关断状态时,电流流经开关器件2的关断环路的栅极阻抗电路42。每个栅极阻抗电路40和42包含一个或多个电阻R和一个或多个电容C。例如,第一栅极阻抗电路40a包含电阻Ron_l_a和Ron_l_b以及电容Cl_on。电阻Ron_l_a和Ron_l_b可包含单一的电阻或如图所示的2个串联的电阻。导通环路的第二栅极阻抗电路40b,包含电阻Ron_2_a和Ron_2_b以及电容Con_2。第三栅极阻抗电路40c以虚线显示,其包含电阻Ron_n_a和Ron_n_b以及电容Con_n以表示可按照要求尽可能多的提供的预设栅极阻抗电路40。同样地,在关断环路中,第一栅极阻抗电路42a包含电阻Roff_l_a和Roff_l_b以及电容Coff_l。第二栅极阻抗电路42b包含电阻Roff_2_a和Roff_2_b以及电容Coff_2。同样,如图中虚线所示,第三栅极阻抗电路42c包含电阻Roff_n_a和RofT_n_b以及电容Coff_n。如有必要,可提供多个关断栅极阻抗电路42。
[0036]工作时,微处理器8向微处理器可控开关18提供第一控制信号(如方框12所不)以控制半导体开关器件2的开关电压6。电压6a是导通电压,电压6b是关断电压。该电压决定了半导体开关器件2是处于导通状态,还是关断状态。控制信号12决定导通驱动电压6a或关断驱动电压6b是否被提供给半导体开关器件2。微处理器8向微处理可控开关48提供第二控制信号(如方框14所示)以控制在半导体开关器件2的导通周期中连接的栅极阻抗电路40。微处理器8向微处理器可控开关49提供第三控制信号(如方框16所示)以控制在半导体开关器件2的关断周期中连接的关断栅极阻抗电路42。选择装置包含控制信号14和控制信号16以及相关的微处理器可控开关48和微处理器可控开关49,以在某给定时间确定选择的栅极驱动电路40和栅极驱动电路42。
[0037]半导体器件驱动装置100用于向半导体开关器件2的栅极提供驱动信号。半导体器件驱动装置100包含多个以可选择方式连接到半导体开关器件2的栅极阻抗电路40,42。所存储的数据基于半导体器件驱动装置100的特定工作条件来定义具体的、连接到半导体开关器件2的一个或多个栅极阻抗电路40,42。微处理器8基于特定的工作条件和存储数据选择连接到半导体开关器件2的一个或多个栅极阻抗电路40,42。
[0038]对用于驱动半导体开关器件2 (比如IGBT)的栅极阻抗电路40,42的选择会强烈影响测量的辐射发射、传导发射以及驱动装置的开关损耗。优选地,提出的栅极驱动可以控制所选择的栅极驱动阻抗以满足应用需要。
[0039]可使用变速传动装置(VSD)微处理器8的命令来选择合适的网络40和42。以达到实现以下任一功能的目的:
[0040]I)在低输出相电流的情况下减少辐射发射。
[0041]2)在整个工作范围内增加栅极阻抗以减少传导发射并允许使用更长的驱动一电机电缆。可基于工作时IGBT的开关频率进行选择。
[0042]3)针对替代厂家提供的IGBT选择最优栅极驱动。
[0043]4)减少由于热循环造成的热疲劳。
[0044]向半导体开关器件2的栅极驱动施加正电压6a(VG_on)以导通具有微处理器(uP)开关控制的IGBT,如方框12和开关18所示。来自栅极电源的电流流经所选择的阻抗网络40x,该阻抗网络具体由微处理器的信号控制的微处理器选择开关48确定,如方框14所示。在关断过程中,如方框12所示的微处理器开关控制信号产生一个负电压6b(VG_off),该电压被施加到半导体开关器件2的栅极驱动上。这样通过所选择的网络42x移除了从半导体开关器件2栅极的充电。可根据导通和关断工作的需要,增加网络40和42的数量。
[0045]图2展示了一个在导通环路和关断环路中都提供了多个栅极阻抗网络的实施例,且每个栅极阻抗网络40或42都采用全桥拓扑(即第一栅极阻抗电路40a总是连接的且附加的第二栅极阻抗电路40b和第三栅极阻抗电路40c与第一栅极阻抗电路40a并联,要么单独连接,要么相互并联)。然而,栅极阻抗网络40和42也可以有其它形式,比如串联、并联、与一个或多个其它栅极阻抗网络组合,与其它栅极阻抗网络隔离等。
[0046]降低辐射发射
[0047]通过研究发现,单个固定栅极阻抗的辐射发射随着IGBT集电极电流的增加而降低。本发明利用了上述原理,即在已知输出相电流Ic的情况下,通过微处理器8从多个已定义的栅极阻抗网络40和42中进行选择。可根据工作电流范围,从栅极阻抗电路40和42中选择合适的栅极阻抗。
[0048]改变栅极驱动阻抗电路40和42可调节开关过程中集电极电流Ic和电压的瞬态特性。在本发明所述的开关装置中,可针对每个输出相电流选择最优的栅极驱动电阻以使开关损耗最小化,同时确保符合辐射发射限值。
[0049]为此,微处理器中存储了程序,用以基于开关器件所要求的输出相电流来确定栅极阻抗的选择。例如,微处理器针对所要求的输出相电流存储了一个查询表,如表1所示,为两个输出电流的示例,当然也可存储针对其它输出相电流的数据:
[0050]表1
[0051]
【权利要求】
1.一种半导体器件驱动装置,向半导体开关器件的栅极提供驱动信号,其特征在于,所述半导体器件驱动装置包含: 多个可选择地连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路,以及 用于选择将一个或多个所述栅极阻抗电路连接到所述半导体开关器件的选择器。
2.根据权利要求1所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述半导体器件驱动装置还包含微处理器,用以控制对所述栅极阻抗电路的选择,所述微处理器存储有用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序。
3.根据权利要求2所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序与一个或多个特定的工作条件有关。
4.根据权利要求3所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体开关器件所要求的输出相电流为基础。
5.根据权利要求3所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体器件驱动装置连接至负载的电缆的长度为基础。
6.根据权利要求3所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体开关器件所要求的工作开关频率为基础。
7.根据权利要求3所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述驱动装置的所述半导体开关器件为基础。
8.根据权利要求3所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述用于确定选择一个或多个所述栅极阻抗电路的程序以所述半导体开关器件的集电极电流为基础,所述集电极电流在开关过程中保持功率损耗相对恒定。
9.根据权利要求1所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述一个或多个所选择的栅极阻抗电路在所述半导体开关器件的开关动作之前连接至所述半导体开关器件。
10.根据权利要求1所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述半导体器件驱动装置进一步还包含所述半导体开关器件。
11.根据权利要求2至10任一所述的半导体器件驱动装置,其特征在于,所述存储程序包含查询表,所述查询表定义了针对特定条件所选择的一个或多个栅极阻抗电路。
12.一种变速传动装置,其特征在于,所述变速传动装置包含权利要求1至11任一所述的半导体器件驱动装置。
13.一种向半导体开关器件的栅极提供驱动信号的方法,其特征在于,该方法包含: 基于一个或多个工作条件以及与所述一个或多个工作条件有相关的存储数据来选择一个或多个连接到所述半导体开关器件栅极的栅极阻抗电路;和 将所选择的一个或多个所述栅极阻抗电路连接至所述半导体开关器件。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所选择的一个或多个栅极阻抗电路在所述半导体开关器件的开关动作之前连接至所述半导体开关器件。
【文档编号】H03K17/16GK103684372SQ201310430793
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2012年9月19日
【发明者】理查德·塞缪尔·吉布森, 理查德·马克·维恩, 罗伯特·安东尼·卡特尔, 罗伯特·格温·威廉姆斯 申请人:控制技术有限公司
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