用于闸流晶体管的栅极驱动器的制作方法

专利名称：用于闸流晶体管的栅极驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在稳定的状态中驱动GCT(栅极转向断开)闸流晶体管，GTO(断开栅极)闸流晶体管，静电感应闸流晶体管(SITH)，或功率晶体管那样的闸流晶体管率的栅极驱动器。
已有技术GCT接通状态的栅极电流必要条件GCT和GTO具有类似的接通和接通状态的栅极电流必要条件。栅极驱动器将大的dI/dt和尖头电流给予接通脉冲，然后，将恒定的DC接通状态保持电流给予接通脉冲。栅极驱动器总是接收在GCT/GTO的接通状态中负的栅极电压。
为了驱动GCT导入与GTO的情形不同的新状况。用于GCT的栅极驱动器在接通尖头电流和它的形状大小方面具有它的特长。GCT时的接通电流的增加(dI/dt)比典型的GTO大10～50倍，又，为了减少接通损耗，选择大5～10倍的触发器尖头电流。所以，6英寸GCT需要dI/dt＝500A/μs和300A的尖头电流。
这样大的尖脉冲，随着加上上升速度大的阳极电流使GCT安全地接通，另一方面当GCT工作伴随着上升速度小的阳极电流时，为了使GCT维持在接通状态，在大的尖脉冲后面需要给予长的脉冲时间。此后，加上与GTO类似的接通状态的栅极电流(4英寸或6英寸器件时，约10A)。
不设置限流器那样的保护电路的情形，当GCT或GTO的负载电流的流动方向从前向变化到逆向时，会损伤栅极驱动器。负载电流逆方向流动时，负载电流通过与GCT并联设置的续流二极管流动。所以GCT的阳极相对于它的阴极变成负的。由于GCT的寄生二极管，在GCT的栅极上出现负电位。
此后，当负载电流的流动方向再次从逆向变化到前向时，负载电流再次通过GCT流动。而且，需要再次确立安全的GCT接通状态。
基本上，从GTO工作已经很好地知道了这种必要条件。对于更高的开关频率设计GCT电路，结果，续流二极管需要对非常大的前向电压下降作出应答，在正常的限流器工作中产生比-5V低的GCT栅极电压。已有技术的电路尖头电流是通过电阻和电容电路从电压源生成的。为了生成有阶跃和快速上升(dI/dt＝500/μs)的大的喷射脉冲，和喷射脉冲后比较长的下降斜率脉冲，需要数个有复杂调整的RC耦合。用这样的设计，在6英寸GCT驱动时总损耗不超过50W。
德国专利申请公开公报第DE3709150号和PCT国际公报第WO9407309公布了使用切换电流源的GTO驱动器。通过设置用于形成电流源的电感器，能使余下的能量返回到电源。
用这种方法基本上能够达到非常小的损耗。可是，为了产生接通脉冲和接通状态电流需要4个大电流开关元件和3个二极管。而且，需要大的断开尖头电流通过开关元件和附加二极管的串联连接。这样的电路不能用于GCT的栅极驱动器。
美国专利第4791350号公布了作为用于GTO恒定状态的电源，使用开关模式阶跃下降电流调整器的栅极驱动器。调整器由开关和续流二极管组成，它的输出端直接与GTO的栅极连接，由有开关和电阻的其它电路产生大电流脉冲。
美国专利第4791350号提出了用这种方法减少栅极驱动器损耗的方案。但是，当出现负的GCT栅极电压时，不能控制地增加了调整器的输出电流。当需要超过5A的栅极电流时，进一步在调整器的续流二极管上发生大量的损耗。又，大的损耗是由大电流脉冲电阻产生的。
日本专利申请公开公报第H3-97315号和EP专利公报第0416933号公布了解决负栅极电位持有问题的电路。续流二极管与负的电源线连接。电感器由正电源充电。在续流二极管上，电感器的电荷对负电源放电。用这种方法，电路能在所有的正和负的GTO栅极电压状态中稳定地工作。
这种电路能够适用于产生小的栅极电流。但是，当栅极电流大时许多能量从正电源转移到负电源，需要用适当的电功率返回电路使这部分能量返回到正电源。在GCT情形中，例如，栅极电流Ig约为10A，栅极电压Vg约为-20V。这时，循环电功率约为200W。与此对比，根据这个基准的有效栅极电功率只有Vg×Ig＝0.6V×10A＝6W。结果，需要对栅极电流发生器和电源进行非常过度的设计，甚至在高性能开关模式电路中也发生大量的损耗(约20W～40W)。
EP专利公报第893883号公布了用其它方法处理GCT的续流状况的栅极驱动器。构成发射极跟随器的双极晶体管限制GCT的负的栅极电压时的栅极电流。从电压脉冲高效率地产生电流。
栅极电流Ig直到2A的情形中，能够用适当的部件设计电路。在更大的栅极电流时双极晶体管的增益下降到20以下。这时，需要大的基极电流，由于更大的VCEsat(电压Vce的饱和电压)损耗变大。Ig＝10A时，需要比0.5A大的Ib，在已知的PNP晶体管中VCEsat约为1V。
进一步，需要用维持在0.4V以上的GCT栅极电压维持大的基极电流。而且，在更大的GCT栅极电压和开路状态(不安装GCT)时，需要进行使设计复杂或者限制栅极驱动器性能的折衷。本发明要解决的课题需要找到为实现大电流GCT驱动的适当的电路。该电路需要以小的损耗产生用于GCT接通的大的尖触发电流脉冲，长的触发电流轨迹，和大的栅极电流，而且该电路必须能在所有的栅极电压工作状态中安全地工作。
进一步，为了能够成为非常紧凑的经济的解决方法，需要能够主要用SMD部件和技术来实现该电路。
用于解决课题的方法本发明的第1方面涉及通过在接通命令信号存在期间将栅极电流供给闸流晶体管(8)的栅极，驱动有阳极，阴极和栅极的上述闸流晶体管的栅极驱动器，上述栅极驱动器备有对应上述接通命令信号的前沿产生接通脉冲的接通脉冲发生器(2)，上述开始脉冲后立即产生下降斜率电流的下变换器(3)，和具有从上述下变换器向上述闸流晶体管的栅极供给电流，与上述闸流晶体管的栅极连接的MOSFET(403)的限流器，它是在上述闸流晶体管的栅极上对栅极电压进行监视，对应于上述栅电压的负电压增大使上述MOSFET的内部电阻增大的限流器(4)。
本发明的第2方面涉及本发明的第1方面记载的栅极驱动器，其中上述下变换器备有产生从上述下变换器生成的电流特性曲线的特性曲线发生器(310)，根据上述特性曲线产生传导脉冲的传导脉冲发生器(311)，响应上述传导脉冲导通来自电源(7)的电流，生成脉冲电流的开关元件(312)，和使上述脉冲电流平滑化的电感器(314)，上述特性曲线发生器产生有前沿和前沿后的下降斜率部分的特性曲线，因此，从上述下变换器生成的上述下降斜率电流与上述特性曲线成比例地减少。
本发明的第3方面涉及本发明的第2方面记载的栅极驱动器，其中上述下变换器进一步备有根据上述特性曲线产生其它传导脉冲的其它传导脉冲发生器(321)，响应上述其它传导脉冲导通来自上述电源(7)的电流，生成其它脉冲电流的其它开关元件(322)，和使上述下降斜率电流增大那样地对上述其它脉冲电流进行平滑化的其它电感器(324)。
本发明的第4方面涉及本发明的第2方面记载的栅极驱动器，其中上述下变换器进一步备有与上述电感器(314)并联设置的附加电感器(344)，和与上述附加电感器(344)串联地设置的，产生更大的下降斜率电流的附加开关元件(347)。
本发明的第5方面涉及本发明的第2方面记载的栅极驱动器，其中上述下变换器进一步备有与上述电感器(314)并联地设置的附加电感器(344)，和与上述附加电感器(344)串联地设置的，产生更大的下降斜率电流的饱和扼流圈元件(356)。
本发明的第6方面涉及本发明的第2方面记载的栅极驱动器，其中上述限流器备有比较在上述下变换器输出端的输出电压(V3)和所定电压(V401)，上述输出电压(V3)比上述所定电压(V401)小时，对应于上述输出电压(V3)和上述所定电压(V401)之间的差生成调整信号的比较器，上述MOSFET(403)接收上述调整信号，对应于上述调整信号改变它的内部电阻。
本发明的第7方面涉及本发明的第6方面记载的栅极驱动器，其中上述比较器备有运算放大器(402)。
本发明的第8方面涉及本发明的第6方面记载的栅极驱动器，其中上述比较器备有双极晶体管(412，415，416)。
本发明的第9方面涉及本发明的第6方面记载的栅极驱动器，其中上述限流器进一步备有与上述MOSFET并联连接的续流二极管。
本发明的第10方面涉及本发明的第1方面记载的栅极驱动器，其中上述断开脉冲发生器(1)备有电容器(205)，与上述电容器并联连接的二极管(206)，开关元件(202)，和扼流圈(204)，生成大的尖脉冲。
本发明的第11方面涉及本发明的第1方面记载的栅极驱动器，它进一步备有将低电平偏压电流供给闸流晶体管的上述栅极的偏压电流发生器。
本发明的第12方面涉及本发明的第1方面记载的栅极驱动器，其中上述闸流晶体管(8)是GCT。本发明的效果本发明的第1记载的栅极驱动器实现了用于大功率GCT或RGCT的低损耗并且小型的电路。因为通过使用特性曲线发生器和开关元件可以制成低损耗电路，所以能够生成长的大下降斜率电流。又，也不能使用有大损耗的任何构成要素。在限流器内的主要电流路径中的1个或多个MOSFET保护下变换器内的电路构成要素。
如果根据本发明的第2方面，则通过代替已有的二极管导入受到控制的MOSFET能够减少在下变换器中的损耗。
如果根据本发明的第3方面，则通过对这样的电流产生经过最佳化的其它产生元件，能够在产生大的下降斜率电流时减少在下变换器中的损耗。
如果根据本发明的第4方面，则能够减少很多电路元件。
如果根据本发明的第5方面，则通过用简单的电路能够减少很多电路元件。
如果根据本发明的第6方面，则限流器在特别负的GCT栅极偏压中保护下变换器中的电路元件。又，能够在正和负的栅极偏压之间圆滑地实现转移。
如果根据本发明的第7方面，则能够通过使用高频带功率运算放大器，用简单的电路低成本地配置限流器。
如果根据本发明的第8方面，则能够通过使用高频带晶体管，用简单的电路低成本地配置限流器。
如果根据本发明的第9方面，则能够非常低损耗地通过负的栅极电压的全部范围对闸流晶体管的栅极电流进行控制。
如果根据本发明的第10方面，则能够通过使用简单并且小型的电路元件产生接通脉冲。所以，对于低损耗和负的栅极偏压能够实现完全的保护。
如果根据本发明的第11方面，则在非常低损耗负的栅极电压的全部范围内即便栅极电流很大也能对它进行控制。
如果根据本发明的第12方面，则能够急速地并且着实地实现大的负载电流的开关。
图的说明

图1是用于闸流晶体管的栅极驱动器的方框图。
图2是表示在图1的方框图中的主要点观察到的波形的图。
图3是图1所示的接通脉冲发生器的电路图。
图4是图1所示的下变换器和限流器的电路图。
图5是表示在图4的电路中的主要点观察到的波形的图。
图6是表示在图4的下变换器中观察到的波形的图。
图7是图1所示的偏压电流发生器的电路图。
图8是第1变形例的电路图。
图9是表示在图8的电路中观察到的波形的图。
图10是第2变形例的电路图。
图11是表示在图10的电路中观察到的波形的图。
图12是第3变形例的电路图。
图13是第4变形例的电路图。
图14是第5变形例的电路图。
本发明的实施形态参照图1，图1表示将大容量开关元件8驱动到接通和断开状态的，根据本发明的栅极驱动器的方框图。本发明的栅极驱动器能够适用于各种类型的开关元件8，例如，GCT(栅极换向断开)闸流晶体管，GTO(栅极断开)闸流晶体管，静电感应闸流晶体管(SITH)，或功率晶体管。但是，本发明特别适合于与GCT闸流晶体管一起使用。闸流晶体管8具有阳极，阴极和栅极。闸流晶体管8与二极管81并联地逆向连接，闸流晶体管8的阳极和阴极分别与二极管81的阴极和阳极连接。进一步闸流晶体管8与负载(图中未画出)串联连接。
在图1中，参照数字1是产生断开脉冲Ig3的断开脉冲发生器，2是产生接通脉冲，即起动脉冲Ig1的接通脉冲发生器，3是下变换器，4是限流器，5是产生偏压电流Ig4的脉冲发生器，9是生成接通命令信号S1的控制器。限流器4与下变换器3关连地工作，生成持续电流Ig2。电流Ig1，Ig2，Ig3和Ig4加在一起形成栅极电流Ig。
图2表示在图1的栅极驱动器电路内的主要点观察到的波形。特别是，图2(a)表示闸流晶体管8的阳极和阴极之间的电压Vak，图2(b)表示流过闸流晶体管8的阳极电流Ia，图2(c)表示流过闸流晶体管8的栅极的栅极电流Ig，图2(d)表示在闸流晶体管8的栅极上的栅极电压Vg，而图2(e)表示由控制器9生成的接通命令信号S1。
如图2(e)所示，控制器9在期间102～109内使闸流晶体管8接通那样地在起动栅极驱动器的上述期间102～109内生成高电平的接通命令信号S1。
如图2(c)所示，响应在期间102内接通命令信号S1的前沿，起动接通脉冲发生器2，在期间102～103，即期间5～30微秒间生成瞬间的内高电平电流(起动脉冲)Ig1。起动脉冲Ig1的尖头电流值为，例如，数百～1000A。起动脉冲Ig1在栅极电流Ig的真正开始时适用于闸流晶体管8的删极，使闸流晶体管8接通。
又，如图2(c)所示，响应接通命令信号S1的前沿，下变换器3生成作为持续电流Ig2的前沿部分的下降斜率电流Ig2。在期间102～104，即10～100微秒内生成下降斜率电流Ig2。下降斜率电流在时间102有前沿，在期间102～104有下降斜率部分。在起动脉冲内前沿重叠。但是，下降斜率电流在时间103可以有它的前沿。这时，下降斜率部分在时间103～104内。供给下降斜率电流，保证甚至在起动脉冲(时间102～103)消失后也使闸流晶体管8维持在它的接通状态。
响应接通命令信号S1的前沿，脉冲电流发生器5在例如期间102～109生成有数百A的脉冲电流Ig4。在图2(c)中，没有画出脉冲电流Ig4。因为它与持续电流Ig2比较非常小。
如图2(b)所示，因为与闸流晶体管8连接的负载的某些急剧变化，阳极电流Ia在时间105急剧地减小到负值时，逆阳极电流Ia通过二极管81流动，同时使栅极电压Vg减到小于零。设置限流器4，甚至栅极电压Vg减小到小于零时，对加在闸流晶体管8的栅极上的栅极电流Ig如前向偏压电流那样地进行控制。
下面我们详细地说明各个电路1～5。参照图3，图3画出了接通脉冲发生器2。接通脉冲发生器2备有触发脉冲发生器201，开关晶体管202，续流二极管203，脉冲形成扼流圈204，脉冲电容器205，电容器续流二极管206，扼流圈207和二极管208。
接通脉冲发生器2的工作如下所示。第一，用通过扼流圈207和二极管208从有电压Vb的电源7，将电容器205充电到事先设定的电压2Vb。在时间102，响应来自控制器9的接通命令信号S1的前沿，具有数据双稳态触发器那样的脉冲发生器的触发脉冲发生器201生成有所定脉冲宽度的触发脉冲。将触发脉冲加到晶体管202。所以，在时间102，晶体管202接通。而且，电容器205与扼流圈204连接，栅极脉冲电流Ig1开始流入闸流晶体管8的栅极。随着栅极脉冲电流Ig1的增加，电容器205的电压减小。
电容器205的电压到达零时，栅极脉冲电流达到最大电平。从而，使电容器205和扼流圈204进行共振工作那样地选择电容器205和扼流圈204，因此，栅极脉冲电流的起动dI/dt和尖头电流满足闸流晶体管8的要求条件。从而，在电容器205的放电中，栅极脉冲电流Ig1如图3所示地沿线A1流动。
电容器205两端的电压变成负时，二极管206导通，如虚线所示的脉冲电流A2流动，共振工作停止。结果，通过使用脉冲电流A2，使扼流圈204的电流保持在高电平。而且，因为闸流晶体管8的栅极电压，又因为扼流圈204，开关晶体管202，和二极管206的损耗，电流A1慢慢地减小。
在所定时间后，触发脉冲发生器201停止产生触发脉冲，所以使开关晶体管202断开。而且，扼流圈电流转换到沿线A3流动，因此，积蓄在扼流圈204中的能量通过续流二极管203释放到负电源中。
存在负的栅极脉冲电压时的工作与上述工作非常相似。由于触发脉冲发生器201对晶体管202的触发，电容器205放电，扼流圈204积蓄能量。而且，电容器205在放电到0V后，续流二极管206导通。与负的栅极脉冲电压的大小有关，栅极电流A1慢慢地减小，或随时间一起增加。在时间103，晶体管202断开，扼流圈204中的能量释放到电源6中。
通过小的负的栅极脉冲电压，能够实现电路的安全工作。当需要与高速高电压GCT续流二极管的情形同样地处理大的负的栅极脉冲电压时，甚至在短的期间(102～103)内栅极电流也能够成为过大的电流。在这种情形中，选择对于晶体管202的栅极驱动电压和它的特性，使它们能够限制这种过大的电流。结果，甚至在大的负的栅极脉冲电压，也能够实现安全工作。
参照图4，图4表示下变换器3和限流器4。首先，我们说明下变换器3。
下变换器3备有特性曲线发生器310，传导脉冲发生器311，FET312，低损耗肖特基二极管313，电感器314，电流检测电阻315和二极管316。传导脉冲发生器311，FET312，低损耗肖特基二极管313，电感器314和电流检测电阻315连接起来，形成低损耗阶跃下变换器。
响应来自控制器9的接通命令信号，特性曲线发生器产生特性曲线信号S2，如图5(d)所示，生成上限信号S2-up和下限信号S2-low。特性曲线信号S2具有在时间102的前沿，在时间102～104之间的下降斜率部分，和在时间104～109之间的恒定电平。用下面说明的方法将上限信号S2-up和下限信号S2-low加到产生图6(a)所示的传导脉冲的传导脉冲发生器311上。
传导脉冲发生器311检测通过电阻315流动的电流，将该电流电平与上限信号S2-up和下限信号S2-low进行比较。当电流I315比下限信号S2-low小时，传导脉冲发生器311产生传导脉冲(图6(a))，驱动FET312使它进入导通状态。这样，来自电源7的电流通过串联连接的电感器314，电阻315和FET403加到闸流晶体管8的栅极。通过FET403导通的电流是脉冲电流，但是，在电感器314后被平滑化。结果，感应电压成为正的，电流I315以由V314和电感器314的电感给出的上升速度增加。
此后，如图例(b)所示，电流I315增加到上限信号S2-up时，传导脉冲发生器311使FET312切换到闭塞状态那样地结束传导脉冲。电流I315转换到二极管313一方。使电压V314逆转，如下式所示。
V314＝-(V3+V313+R315×1315)这里，V3是下变换器3的输出电压。而且，电流I315再次向下限信号S2-low减小。
设定电源7的电压比Vg大得多。这样，在FET312导通时使电流I315达到大的上升速度(dI315/dt)，在二极管313导通时产生小的dI315/dt，产生二极管313的长导通和FET312的短导通。结果，从电源7引出的平均电流比I315小，能够用标准的小电源装置产生电源7。
对于小的接通状态电阻值(RDSon)设定二极管313和FET403。这样，V313和V403变得比Vg小，同样地设定电阻315，甚至在Vg＝0.6V并且I315＝10A时也能够达到50％量级的总效率。所以，由下变换器3产生的电流在起动后立即徐徐地减小。
对于大的饱和电流设定电感器314，而且，因为FET和二极管的特性，产生高电平的电流，能够在时间103～104之间供给闸流晶体管8的栅极。为了实现它，特性曲线发生器310增大上限信号S2-up和下限信号S2-low。这样，也以高的效率产生斜的长脉冲(时间103～104)。我们说明了在时间103～104之间生成斜的长脉冲，但是也能在与起动脉冲(时间102～103)部分地重叠的时间103～104之间生成。
下面我们进一步参照图4说明限流器4。限流器4具有恒定电压源401，由运算放大器形成的比较器402和p沟道FET403。栅极电压Vg从负的阳极电压(时间105～106)负极性地引出时，下变换器3的输出电压V3也减小。比较器402通过比较下变换器的输出电压V3和所定的恒定电压401，检测栅极电压Vg。栅极电压Vg减小到恒定电压401以下时，比较器402生成有与使下变换器的输出电压减小到比恒定电压401小的电平成比例的电平的调整信号。将调整信号加到FET403的栅极上，结果，它开始增大内部电阻，FET403两端的电压降变大。从而，FET的输出侧(与闸流晶体管8的栅极连接的一侧)的电压减小，使它的输入一侧维持在几乎相同的电压上。从而，在闸流晶体管8的栅极上观察到的电压降主要被在FET403两端生成的电压降吸收，因此，甚至当栅极电压Vg下降到零以下时，如图5(b)所示，加在FET403输入侧的电压V3维持在正的区域内。所以，低损耗的阶跃下变换器能继续在正常工作状态中工作。
从上面所述的可以看到，限流器4监视在闸流晶体管8的栅极上的栅极电压Vg，甚至当栅极电压Vg下降到0V以下时，也能够维持到闸流晶体管8的栅极的前向偏压电流。由于限流器4，甚至在阳极电流内出现急剧的电流下降时，也能够使闸流晶体管8维持在接通状态。又，因为由于限流器4，栅极电压Ig维持在前向偏压电流上，所以最终能够保护栅极驱动器内的各种电路，特别是能够防止下变换器内的电路接收逆向偏压电流。
一但比较器402停止产生高电平信号后，即在栅极电压Vg从负变到正的时间106，应该注意下降斜率电流的生成。因此，也能将比较器402的输出加到特性曲线发生器310上。
与高速续流二极管的情形相同只有-5V的负栅极电压在限流器内生成大的损耗。而且，通过附加到栅极电压的连接，使特性曲线发生器310起动，减小在这个时间中的特性曲线信号S2。如图2(c)所示，这造成在105和106之间的期间栅极电流减小和在MOSFET403中的损耗相当大地减小。为了由下变换器3设定这样小的电流，传导脉冲发生器311的读出放大器需要极高的精度。所以，栅极驱动器包含偏压发生器。而且，用由偏压发生器310设定的小栅极电压即-2V，将下变换器3的输出电流设定在零，由偏压发生器维持栅极偏压电流。参照图7，图7画出了偏压电流发生器5。偏压电流发生器5具有脉冲发生器501，开关晶体管502，二极管503，扼流圈504和电阻505。脉冲发生器501响应由控制器9生成的接通命令信号S1的前沿，在时间102生成脉冲。从而，响应来自脉冲发生器501的脉冲，开关晶体管502变到接通，通过扼流圈504和电阻505生成加到闸流晶体管8的栅极的正向脉冲。续流二极管503与电源6的负电位连接。结果，偏压电流发生器即便在只有电源6的输出的栅极电压也能够维持正常的工作。
变形例1参照图8，图8表示第1变形例。下变换器3具有脉冲发生器310，第1变换器3a和第2变换器3b。第1变换器3a具有传导脉冲发生器311，FET312和317，扼流圈314，电阻315和二极管316。同样地，第2变换器3b具有传导脉冲发生器321，FET322和323，扼流圈324和电阻325。
脉冲发生器310用与上述方法类似的方法生成上限信号S2-up和下限信号S2-low。注意扼流圈324具有等于扼流圈314电感的一半的电感。传导脉冲发生器321只在下降斜率期间(时间102～104)中工作，传导脉冲发生器311在整个接通期间(时间102～109)中工作。除了扼流圈，二极管316和传导脉冲发生器321以外，第1变换器3a内的电路元件与第2变换器3b内的相同。
所以，如图9(a)所示，第1变换器3a生成由部分A所示的电流，第2变换器3b生成由部分B所示的电流。因为扼流圈324具有电抗(1/2)L，扼流圈314具有电抗L，所以在部分B的电流也是在部分A的电流的2倍。用图8的电路，高效率地生成包含电流部分A和B的3倍斜率脉冲(时间103～104)。
变形例2参照图10，图10表示第2变形例。变更了下变换器3。与图4所示的下变换器3比较时，图10所示的下变换器3代替二极管313具有FET晶体管。其它配置与图4所示的配置相同。如图11所示，加在FET319的栅极上的信号具有与加在FET312的栅极上的信号的相位相反的相位。在这个第2变形例中，安装了同步整流器(FET312和319)，产生长的斜率脉冲电流(时间103～104)。对于FET319选择低的接通状态(RDSon)时，FET319两端的电压V319比图4的二极管313两端的电压小得多(V319＜＜V313)。所以，能够实现显著地超过50％的得到长斜率脉冲的效率。
变形例3参照图12，图12表示第3变形例。变更了下变换器3。与图10所示的下变换器比较时，图12所示的下变换器3进一步具有扼流圈344，电阻345，二极管346和FET347。FET347的栅极与特性曲线发生器310连接。FET347受到来自特性曲线发生器310的控制脉冲的控制，只在斜率期间(时间102～104或103～104)导通。
在图12所示的变形例中，设置唯一的同步整流电路(311，312，319)，产生包含图9所示的电流部分A和B的2倍的长斜率脉冲(时间103～104)。电流部分B由电路元件344，345，346和347产生，为了产生电流部分A和B，共通地使用整流电路(311，312，319)。扼流圈344具有电抗(1/2)L，扼流圈314具有电抗L。我们如下地说明电流部分B的产生。
在时间103，FET347被特性曲线发生器310导通。因为扼流圈344和电阻345的串联连接与扼流圈314和检测电阻315的串联连接并联地连接，所以附加电流通过扼流圈344和电阻345的串联连接流动。所以，下降斜率电流增加。
在时间104，下降斜率电流达到稳定的偏压电流。所以，特性曲线发生器310结束生成控制脉冲。而且，使FET347断开。通过二极管346，积蓄在扼流圈344中的能量释放到正电源7中，通过扼流圈314和检测电阻315继续稳定的脉冲电流供给。
变形例4参照图13，图13表示第4变形例。变更了下变换器3。图13所示的下变换器与图12所示的下变换器非常相似。代替图12的FET347，设置饱和扼流圈356。又，在图13中省去了二极管346。其它电路元件与图12所示的电路元件相同。我们如下地说明它的工作。
在时间102，特性曲线发生器310通过扼流圈314和扼流圈344使大的DC电流增大那样地生成大的特性曲线信号S2。而且，扼流圈356由于通过扼流圈344的DC电流而饱和。扼流圈356具有呈现小的饱和电抗值的特长，因此，能量主要积蓄在扼流圈344和314中。结果，由元件344，345和356生成大量的电流。
在时间104，特性曲线发生器310结束生成大的特性曲线信号。设计扼流圈356使它能够从这种状态中的饱和脱离出来。而且，扼流圈356具有呈现大的饱和电抗值的特长，因此，少量电流通过元件344，345和356流动。这样，能够实现当产生长斜率脉冲时在检测电阻315上有低损耗和Ig2有高精度。
变形例5参照图14，图14表示第5变形例。变更了限流器4。与图4所示的限流器4比较时，比较器402置换3个双极晶体管412，415和416，以及413和414。图14的限流器4内的其它电路元件与图4的限流器4内的那些电路元件相同。我们如下地说明它的工作。
晶体管412将它的基极·发射极阈值与恒定电压V401和输入电压V3之间的电压差进行比较，对电阻414两端的电压进行控制。晶体管412的基极电压下降时，晶体管412变到更导通状态，使晶体管416的基极电压增大，从而使晶体管416的发射极电压徐徐增大。晶体管416的发射极电压起着调整FET403的内部电阻的调整信号的作用。因为当增大调整信号时，FET403开始增大内部电阻，所以用与图4有关的上述方法生成在闸流晶体管8的栅极上的电压下降的闭塞。这样，就能够实现非常小型并且经济的限流器。
权利要求
1.栅极驱动器，它是通过在接通命令信号存在期间将栅极电流供给闸流晶体管(8)的栅极，驱动有阳极、阴极和栅极的上述闸流晶体管的栅极驱动器，它备有响应上述命令信号的前沿产生接通脉冲的接通脉冲发生器(2)，上述开始脉冲后立即产生下降斜率电流的下变换器(3)，和具有从上述下变换器向上述闸流晶体管的栅极供给电流，与上述闸流晶体管的栅极连接的MOSFET(403)的限流器(4)，上述电流限制器在上述闸流晶体管的栅极上对栅极电压进行监视，对应于上述栅电压的负电压增大使上述MOSFET的内部电阻增大。
2.权利要求项1记载的栅极驱动器，它备有产生从上述下变换器生成的电流的特性曲线的特性曲线发生器(310)，根据上述特性曲线产生传导脉冲的传导脉冲发生器(311)，响应上述传导脉冲导通来自电源(7)的电流，生成脉冲电流的开关元件(312)，和使上述脉冲电流平滑化的电感器(314)，上述特性曲线发生器产生具有前沿和前沿后的下降斜率部分的特性曲线，从上述下变换器生成的上述下降斜率电流与上述特性曲线成比例地减少。
3.权利要求项2记载的栅极驱动器，其中上述下变换器进一步备有根据上述特性曲线产生其它传导脉冲的其它传导脉冲发生器(320)，响应上述其它传导脉冲导通来自上述电源(7)的电流，生成其它脉冲电流的其它开关元件(322)，和使上述下降斜率电流增大那样地对上述其它脉冲电流进行平滑化的其它电感器(324)。
4.权利要求项2记载的栅极驱动器，其中上述下变换器进一步备有与上述电感器(314)并联地设置的附加电感器(344)，和与上述附加电感器(344)串联地设置的，产生更大的下降斜率电流的附加开关元件(347)。
5.权利要求项2记载的栅极驱动器，其中上述下变换器进一步备有与上述电感器(314)并联地设置的附加电感器(344)，和与上述附加电感器(344)串联地设置的，产生更大的下降斜率电流的饱和饱和扼流圈元件(356)。
6.权利要求项1记载的栅极驱动器，其中上述限流器备有比较在上述下变换器输出端的输出电压(V3)和所定电压(V401)，上述输出电压(V3)比上述所定电压(V401)小时，对应于上述输出电压(V3)和上述所定电压(V401)之间的差生成调整信号的比较器，上述MOSFET(403)接收上述调整信号，对应于上述调整信号改变它的内部电阻。
7.权利要求项6记载的栅极驱动器，其中上述比较器备有运算放大器(402)。
8.权利要求项6记载的栅极驱动器，其中上述比较器备有双极晶体管(412，415，416)。
9.权利要求项6记载的栅极驱动器，其中上述限流器进一步备有与上述MOSFET并联连接的续流二极管。
10.权利要求项1记载的栅极驱动器，其中上述接通脉冲发生器(1)备有电容器(205)，与上述电容器并联连接的二极管(206)，开关元件(202)，和扼流圈(204)，生成大的尖脉冲。
11.权利要求项1记载的栅极驱动器，它进一步备有将低电平偏压电流供给闸流晶体管的上述栅极的偏压电流发生器。
12.权利要求项1记载的栅极驱动器，其中上述闸流晶体管(8)是GCT。
全文摘要
一种栅极驱动器,它是通过在接通命令信号存在期间将栅极电流供给闸流晶体管的栅极,驱动有阳极、阴极和栅极的上述闸流晶体管的栅极驱动器,它备有响应上述命令信号的前沿产生接通脉冲的接通脉冲发生器,上述开始脉冲后立即产生下降斜率电流的下变换器,和具有从上述下变换器向上述闸流晶体管的栅极供给电流,与上述闸流晶体管的栅极连接的MOSFET的限流器,上述电流限制器在上述闸流晶体管的栅极上对栅极电压进行监视,对应于上述栅电压的负电压增大使上述MOSFET的内部电阻增大。
文档编号H03K17/04GK1371159SQ01137540
公开日2002年9月25日 申请日期2001年10月26日 优先权日2001年2月27日
发明者霍斯特·格里宁, 土谷多一郎, 沟畑文雄, 高尾健志 申请人:三菱电机株式会社