用于驱动功率开关的栅极驱动器电路的制作方法
专利名称:用于驱动功率开关的栅极驱动器电路的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于驱动功率开关的栅极驱动器电路。所述栅极驱动器电路包括耦合至所述功率开关的电阻器网络。所述电阻器网络包括多个电阻器。所述栅极驱动器电路进一步包括操作地耦合至所述电阻器网络的控制单元。所述控制单元被配置为控制所述电阻器网络，以使在所述功率开关被转变为第一状态时，所述电阻器网络在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中提供不同的电阻值。
【专利说明】
用于驱动功率开关的栅极驱动器电路
技术领域
[0001] 本说明书的实施例涉及半导体功率开关，并且更具体地涉及用于控制半导体功率 开关的切换的栅极驱动器电路。
【背景技术】
[0002] 诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT)、反向导电IGBT、双模式绝缘栅晶体管(BiGT)、金属 氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)等等的功率开关已经被用在需要使用高功率、高电压 或高电流的应用中。这样的应用中的一些示例包括但不限于诸如逆变器、整流器、斩波器和 直流(DC)-DC转换器的功率转换器。在这些应用中，在其中采用的功率开关的切换定时在功 率转换器的性能方面起着重要作用。
[0003] 诸如IGBT模块的功率开关模块通常包括与绝缘栅双极晶体管（IGBT)反并联耦合 的续流二极管。此外，将IGBT转变为接通状态包括三个阶段，诸如延迟阶段、换向阶段和饱 和阶段。因此，IGBT的"接通"时间是延迟阶段、换向阶段和饱和阶段持续时间的总和。
[0004] 如将意识到的，例如，栅极驱动器电路有助于控制用在可以在逆变器电路中依次 采用的功率开关模块中的功率开关的切换。逆变器电路中使用的功率开关可以包括IGBT。 栅极驱动器电路通常被采用以控制IGBT的栅极电压，用于控制逆变器电路中IGBT的切换。
[0005] 在操作中，栅极驱动器电路通过电阻器(下文中称为栅极电阻器)将栅极电压供给 至IGBT的栅极端子。通常，栅极电阻器的值是固定值。例如，栅极电阻器可以被选择以使 IGBT在最坏情况的条件下令人满意地执行。更具体地，栅极电阻器的值通常被选择以使 IGBT中的续流二极管被保护，以免受到换向阶段中诱发的应力。因此，栅极电阻器的这样 的值有助于维持流过续流二极管的电流的更低转换速率，并由此保护续流二极管。然而，这 样的固定配置的栅极电阻器的使用由于长延迟时间和高切换损耗还导致降低延迟阶段和 饱和阶段中的IGBT的性能。此外，IGBT在延迟阶段和饱和阶段中的这样的降低的性能妨碍 其中要求高速切换的应用中的栅驱动电路的可操作性。因为更快的切换时间是针对更高效 率的许多应用中的因素，所以工业要求不遭受提到的不足的栅极驱动器。
【发明内容】
[0006] 根据本说明书的方面，公开了用于功率开关的栅极驱动器电路。所述栅极驱动器 电路包括耦合至所述功率开关的电阻器网络。所述电阻器网络包括多个电阻器。所述栅极 驱动器电路进一步包括操作地耦合至所述电阻器网络的控制单元。所述控制单元被配置为 控制所述电阻器网络，以使在所述功率开关被转变为第一状态时，所述电阻器网络在延迟 阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中提供不同的电阻值。
[0007] 较佳地，所述第一状态是接通状态。
[0008] 较佳地，所述功率开关被设置在逆变器电路中。
[0009] 较佳地，所述功率开关包括绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模 式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一个。
[0010] 较佳地，所述电阻器网络耦合至所述功率开关的栅极端子。
[0011] 较佳地，所述电阻器网络进一步包括耦合至所述多个电阻器的多个开关。
[0012] 较佳地，所述控制单元操作地耦合至所述多个开关并且被配置为基于所述延迟阶 段、所述换向阶段或所述饱和阶段的发生来选择性地将所述多个开关中的一个或多个在接 通状态和断开状态之间转变。
[0013] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为控制所述电阻器网络，以使在所述延迟阶 段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值有助于最小化所述延迟阶段或所述 饱和阶段的持续时间。
[0014] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为控制所述电阻器网络，以使在所述延迟阶 段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值比在所述换向阶段中由所述电阻器 网络提供的电阻值更小。
[0015] 较佳地，所述功率开关包括耦合在所述功率开关的集电极端子和发射极端子之间 的续流二极管。
[0016] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为基于所述功率开关的身份和与所述延迟阶 段、所述换向阶段和所述饱和阶段的开始关联的对应时间戳来检测所述换向阶段和所述饱 和阶段的发生。
[0017] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为获取对应于与所述延迟阶段、所述换向阶 段和所述饱和阶段的开始相关联的时间戳的值，以及从查找表获取对应于所述时间戳的电 阻值。
[0018] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为基于流过所述功率开关的电流的导数来检 测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。
[0019] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为监测所述功率开关的开尔文端子和功率端 子之间的电压，并且其中所述功率开关的所述开尔文端子和所述功率端子之间的所述电压 指示流过所述功率开关的电流的导数。
[0020] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为监测所述功率开关的栅极电压和集电极至 发射极电压中的至少一个以检测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。
[0021] 根据本说明书的另一个方面，公开了用于驱动功率开关的方法。所述方法包括确 定在所述功率开关被转变为接通状态时延迟阶段、换向阶段和饱和阶段的发生。所述方法 进一步包括耦合至所述功率开关的电阻器网络，以使在所述功率开关被转变为接通状态 时，所述电阻器网络在所述延迟阶段、所述换向阶段和所述饱和阶段中的至少两个中提供 不同的电阻值，其中所述电阻器网络包括多个电阻器。
[0022] 根据本说明书的又一个方面，公开了用于驱动功率开关的栅极驱动器电路。所述 栅极驱动器电路包括耦合至所述功率开关的可变电流源。所述可变电流源被配置为将驱 动强度供给至所述功率开关。此外，所述栅极驱动器电路包括操作地耦合至所述可变电流 源的控制单元。所述控制单元被配置为控制所述可变电流源，以使在所述功率开关被转变 为接通状态时，在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中供给不同驱动强度。
[0023] 较佳地，所述功率开关包括绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模 式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)中的至少一个。
[0024] 较佳地，所述驱动强度包括供给至所述绝缘栅双极晶体管、所述反向导电绝缘栅 双极晶体管、所述双模式绝缘栅晶体管、以及所述金属氧化物半导体场效应晶体管中的至 少一个的相应的栅极端子的栅电流。
【附图说明】
[0025]在参考附图来阅读下面的【具体实施方式】时，本说明书的这些和其它特征、方面和 优点会变得更好理解，其中在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：
[0026]图1是常规逆变器电路的示意图；
[0027] 图2是在功率开关转变为接通状态时用在图1的逆变器电路中的功率开关的各种 参数的时间响应的图解说明；
[0028] 图3是采用根据本说明书的方面的示范栅极驱动器电路的逆变器电路的示意图；
[0029] 图4是采用根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的另一个实施例的示意图；
[0030] 图5是根据本说明书的方面的开环控制模式中的功率开关的各种参数的时间响应 的图解说明；
[0031] 图6是根据本说明书的方面的闭环控制模式中的功率开关的各种参数的时间响应 的图解说明；
[0032] 图7是根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的又一个实施例的示意图；
[0033] 图8描绘了根据本说明书的方面的用于驱动功率开关的示例方法的流程图；以及 [0034]图9A和9B描绘了根据本说明书的方面的图8的方法的具体流程图。
【具体实施方式】
[0035] 参考本文中阐述的具体附图和描述，本说明书可以被最好地理解。下文中参考附 图描述各种实施例。然而，本领域技术人员会轻易地意识到本文中参考这些附图而给出的
【具体实施方式】仅仅为了解释的目的，因为方法和系统扩展到描述的实施例之外。
[0036] 在下面的说明书和权利要求中，单数形式"一"和"所述"包括复数的事物，除非上 下文另外清楚指出。如本文中使用的，词语"或者"并不意味着是排它的，而是除非文本另外 清晰指出，否则指的是存在的参考部件中的至少一个，并且包括其中参考部件的组合可以 存在的实例。
[0037] 如本文中使用的，术语"可以"和"可以是"指示一组情况内的发生;拥有特定性能、 特征或功能的可能性;和/或通过表达与限定动词相关联的能力、性能或可能性中的一个或 多个来限定另一个动词。因此，"可能"和"可能是"的使用指示修改的术语明显适合、能够或 适用于指示的能力、功能或使用，同时考虑到在一些情况下，修改的术语有时可能不是适 合、能够或适用的。
[0038] 图1是常规逆变器电路100的示意图。逆变器电路100包括直流(DC)电压源102和诸 如IGBT模块124、126、128和130的一个或多个功率开关模块的布置。下文中，IGBT模块124、 126、128和130被总称为IGBT模块124-130 dGBT模块124-130可以分别包括IGBT 104、106、 108和110。下文中，IGBT 104、106、108和110被总称为IGBT 104-110。此外，在一些实施例 中，IGBT模块124-130还可以包括反并联耦合在IGBT 104、106、108和110的相应的集电极 端子和发射极端子之间的续流二极管114、116、118和120,如图1中描绘的。
[0039] DC电压源102可以包括电池、DC-DC功率源或能够供给DC电压的任意其它能量源。 DC电压源102可以供给多于一个电压电平。通过示例，来自DC电压源102的输出电压电平可 以包括-15伏特和+15伏特的栅供给电压以及栅极驱动器单元112的偏置电压。
[0040] IGBT模块124-130耦合至DC链路。来自DC链路的电压被用于操作IGBT模块ΜΑ-? 30 。 如图 1 中 示出的 ，逆变器电路 100 、 IGBT 模块 124-130 被示出为 以标准 Η 桥接配置耦合 。更 具体地，IGBT 104和108的集电极端子耦合至DC链路的正端子。此外，如图1中描绘的，IGBT 106和110的发射极端子耦合至DC链路的负端子。然而，IGBT 106和110的发射极端子可以接 地。此外，IGBT 104的发射极端子可以电地耦合至IGBT 110的集电极端子。类似地，IGBT 108的发射极端子可以电地耦合至IGBT 116的集电极端子。
[0041 ] 逆变器电路110通常耦合至负载132。更具体地，负载132耦合在IGBT 104和108的 发射极端子之间。负载132可以表示任何电气设备，例如，家庭或工业电气装置。
[0042] 此外，逆变器电路100可以包括一个或多个栅极驱动器单元，诸如通过栅极电阻器 122耦合至IGBT 108的栅极端子的栅极驱动器单元112。通常，栅极驱动器单元112被配置为 控制IGBT 108的栅极电压(Vg)以控制IGBT 108在接通和断开状态之间的切换。
[0043]通常，在IGBT的集电极至发射极电压(VCE)的值变为基本上等于IGBT的正向电压降 的值时，IGBT被叫作处于"第一状态"、"接通状态"或"接通"，并且对应的续流二极管不导 电。通常，IGBT的正向电压降的值为几百毫伏至几伏的数量级。此外，在IGBT的集电极至发 射极电压(VeE)的值基本上接近DC链路电压时，IGBT被叫作处于"第二状态"、"断开状态"或 "断开"，并且对应的续流二极管不导电。此外，术语"接通时间"被用来指将IGBT从断开状态 转变为接通状态所占用的时间。类似地，术语"断开时间"被用来指将IGBT从接通状态转变 为断开状态所占用的时间。
[0044] 栅极驱动器单元112被配置为通过栅极电阻器122将栅极电压（Vg)施加至IGBT 108的栅极端子。栅极电阻器122处于固定值并被硬配置在栅极驱动器单元112和IGBT 108 的栅极端子之间。虽然栅极电阻器122被示出为耦合在栅极驱动器单元112和IGBT 108的栅 极端子之间，但是栅极电阻器122可以被设置在栅极驱动器单元112内。在一个示例中，在变 换从续流二极管116至IGBT 108的电流时，栅极电阻器122被选择以使流过对应于IGBT 106 的续流二极管116的电流的转换速率被维持在低值以保护续流二极管116。通过示例，栅极 电阻器122可以具有大约5欧姆的值。在图1中，为了图解和简洁，只示出了一个栅极驱动器 单元112。如将意识到的，另外的这样的栅极驱动器单元也可以耦合至其它IGBT 104、106和 110的栅极端子以控制相应的IGBT的切换。
[0045] IGBT 104-110中的每个的切换通过诸如栅极驱动器单元112的相应的栅极驱动器 单元选择性地控制。在逆变器电路100中，IGBT104-110的切换被控制以使交流(AC)电压在 负载132两端出现。为了获取负载132两端的AC电压，栅极驱动器单元112可以将IGBT 104和 106转变为接通状态，同时IGBT 108和110被维持在断开状态。在这样的实例中，来自DC链路 的正端子的电流流过IGBT 104、负载132和IGBT 106。因此，负电压在负载132两端出现。 [0046] 通常，在将IGBT 108和110切换至接通状态之前，IGBT 104和106可以被断开。在 IGBT 104和106被断开时段期间和在IGBT 108和110被接通之前，流过负载132的电流被中 断。感应负载，诸如负载132,阻碍流过其的电流的突然中断。更具体地，负载132试图维持电 流的流动。然而，因为所有的IGBT 104-110都处于断开状态，所以来自负载132的电流流过 正向偏置的续流二极管118至DC链路。
[0047]在IGBT 108和110被转变为接通状态时，来自DC链路的正端子的电流流过IGBT 108、负载132和IGBT 110。因此，正电压在负载132两端出现。IGBT 104-110的这样的周期切 换生成负载132两端的AC电压。
[0048]流过续流二极管116的电流和流过负载132的电流构成流过IGBT 108的电流。通 常，流过负载132的电流保持恒定。因此，在IGBT108正被转变为接通状态时，流过IGBT 108 (通常在换向阶段)的电流可以又影响续流二极管116。因此，流过续流二极管116的电流的 转换速率需要被控制以保护续流二极管116。类似地，在IGBT 106、110和104正转变为接通 状态时，这样的电流还分别流过续流二极管118、114和120。
[0049]图2是在IGBT 108转变为接通状态期间诸如图1的IGBT模块128的功率开关模块的 各种参数的时间响应的图解说明200。参考图1描述图2中描绘的时间响应。为了图解和简 洁，图2中描绘了对应于IGBT模块128的时间响应。其它IGBT模块124、126和130还可以在它 们分别转变为接通状态期间具有类似的时间响应。
[0050]更具体地，图解说明200描绘IGBT 108的栅极电压(Vg)202、集电极至发射极电流 (IcE)204和集电极至发射极电压(VCE)206的时间响应。图解说明200还描绘流过续流二极管 116(In)的电流的时间响应208。在图解说明200中，X轴201表示以微秒为单位的时间，并且Y 轴203表示IGBT 108的栅极电压（Vg)、集电极至发射极电流（IcE)、集电极至发射极电压 (VeE)的值以及流过续流二极管116 (I η)的电流。可以注意到，IGBT 108的栅极电压(Vg) 202 的时间响应使用按比例放大的值来描绘。在一个示例中，IGBT 108的栅极电压(Vg)的值可 以放大大约100倍。
[0051]在转变为第一状态期间，IGBT 108循环通过延迟阶段、换向阶段和饱和阶段。在一 个实施例中，第一状态是接通状态。因此，IGBT108的"接通时间"可以等于延迟阶段(备选地 称为预升压阶段）、换向阶段和饱和阶段(备选地称为饱和阶段)的持续时间之和。
[0052]参见栅极电压(Vg)的时间响应202,在栅极电压(Vg)开始升高时延迟阶段开始，并 且在栅极电压(Vg)达到IGBT 108的阈值电压时结束。在一个示例中，IGBT 108的阈值电压 可以是6伏特。延迟阶段的持续时间由附图标记210表示。在延迟阶段期间，IGBT 108不导 电。栅极电压(Vg)升高的转换速率取决于栅极电阻器122的电阻。例如，栅极电阻器122的电 阻越低，栅极电压(Vg)升高的转换速率越快。然而，如先前提到的，栅极电阻器122的值被选 择以保护续流二极管116。因此，如图2中描绘的，延迟阶段210的持续时间特别大。延迟阶段 210的这个大持续时间有助于增加 IGBT 108的接通时间。
[0053]此外，在栅极电压(Vg)达到对应于IGBT 108的阈值电压时换向阶段开始，并且在 流过续流二极管116(In)(例如，换向电流)的电流达到负方向的最大值时结束。在续流二极 管进入阻断模式时，流过续流二极管116的电流具有负值。此外，如先前提到的，流过 IGBT108的电流是流至负载132的电流和流过续流二极管116的电流之和。在换向阶段期间， 流过负载132的电流是恒定的。因此，为了保护续流二极管116和限制控制电磁发射，流过续 流二极管116(I n)的电流的转换速率需要被控制。因此，要求栅极电阻器122的值更高。如先 前提到的，栅极电阻器122被选择以使流过续流二极管116(In)的电流的转换速率被维持在 低值以保护续流二极管116。然而，在这样的配置中，当栅极电阻器122被硬配置时，流过续 流二极管116 (In)的电流的转换速率还可以被DC链路电压改变、流过负载132的电流改变和 IGBT 108中的结温度改变中的一个或多个影响。换向阶段的持续时间由附图标记212表示。
[0054]饱和阶段在换向阶段的结尾开始，并且在IGBT 108达到接通状态时结束。饱和阶 段的持续时间由附图标记214表示。在饱和阶段214期间，IGBT 108的集电极至发射极电压 (VeE)的值从接近于DC链路电压电平降低至诸如等效于IGBT 108的正向电压降的电压值的 低电平。集电极至发射极电压(VCE)的转换速率由栅极电阻器122的值来控制。例如，栅极电 阻器122的电阻越高，集电极至发射极电压(V CE)的转换速率越低。然而，续流二极管116上的 应力与集电极至发射极电压(VCE)的转换速率无关。因此，集电极至发射极电压(V CE)的高 转化速率被期望减少切换损耗并迅速地将IGBT 108转变为接通状态。然而，栅极电阻器122 被选择为具有足够高的值(例如，5欧姆）以限制换向阶段212中流过续流二极管116的电流 的转换速率。由于栅极电阻器122的电阻的高的值，集电极至发射极电压(V CE)的转换速率比 如果只有饱和阶段中的行为需要被优化的情况下集电极至发射极电压(VCE)的转换速率可 能的值低。因此，如图2中描绘的，饱和阶段的持续时间也实质上更大。饱和阶段的大的持续 时还有助于增加 IGBT 108的接通时间。
[0055]因此，使用被选择来保护续流二极管116的栅极电阻器122的固定值增加了 IGBT 108总接通时间。IGBT 108接通时间的增加又限制了包括这样的在高频应用中的IGBT的逆 变器电路100的使用。
[0056]图3是采用根据本说明书的方面的示范栅极驱动器电路的逆变器电路300的示意 图。示范栅极驱动器电路的使用有助于避开当前可用的逆变器电路的缺点。
[0057] 图3的逆变器电路300包括直流(DC)电压源302和诸如IGBT模块344、346、348和350 的一个或多个功率开关模块的布置。IGBT模块344、346、348和350被总称为IGBT模块344-350 JC电压源302类似于图1的DC电压源102,并且可以被配置为供给多于一个电压电平。例 如，来自DC电压源302的输出电压电平可以包括-15伏特和+15伏特的电压以及栅驱动单元 312的偏置电压。在图3的实施例中，DC电压源302被示出在栅极驱动器电路312之外。然而， 在一些实施例中，DC电压源302可以形成栅极驱动器电路312的一部分。
[0058] IGBT模块344-350可以具有基本类似于图1的IGBT模块124-130的配置的配置。例 如，IGBT 344、346、348和350还可以分别包括IGBT 304、306、308和310。此外，IGBT模块344、 346、348和350还可以包括分别与IGBT 304、306、308、110反并联耦合的续流二极管314、 316、318和320JGBT 304、306、308和310被总称为IGBT 304-310。此外，IGBT 304-310中的 每个还可以包括耦合至相应的功率发射极端子的开尔文发射极端子。为了便于说明，图3 中描绘了只对应于诸如IGBT 308的一个IGBT的开尔文发射极端子307和功率发射极端子 309 〇
[0059] 在逆变器电路300中，IGBT模块344-350以标准Η桥接逆变器配置耦合。此外，如在 图3中描绘的，负载324耦合至逆变器电路300的IGBT模块344-350。在一些实施例中，逆变器 电路300的操作可以类似于图1的逆变器电路100的操作。虽然图3的实施例示出IGBT模块 344-350为以标准Η桥接逆变器配置耦合，但是诸如半桥接逆变器配置的其它配置的使用也 是预期的。
[0060] 在一个实施例中，逆变器电路300可以进一步包括一个或多个栅极驱动器电路，诸 如耦合至IGBT的栅极端子的栅极驱动器电路312。为了便于说明，在图3的实施例中，逆变器 电路300被示出为包括可操作地耦合至IGBT 308的一个栅极驱动器电路312。另外的栅极驱 动器电路还可以与其它IGBT 304、306和310-起使用。此外，在又一个实施例中，公共栅极 驱动器电路还可以被实现用来于控制IGBT 304-310的切换。此外，虽然在图3的实施例中 IGBT 304-310被描绘为功率开关，包括但不限于反向导电的IGBT、BiGT或MOSFET的其它类 型的半导体装置可以被用作功率开关，而不会背离本说明书的范围。
[0061] 在现在的预期配置中，栅极驱动器电路312包括耦合至IGBT308的栅极端子的电阻 器网络322。更具体地，电阻器网络322的第一端子321耦合至DC电压源302的正向栅极电压 供给端子。在一个示例中，DC电压源302可以被配置为从正栅极电压源端子供给+15伏特。此 外，电阻器网络322的第二端子323耦合至IGBT 308的栅极端子。电阻器网络322包括耦合在 电阻器网络322的第一端子321和第二端子323之间的多个电阻器，诸如电阻器326、328、330 和332。虽然图3的实施例将电阻器网络322描绘为包括四个电阻器326、328、330和332,但是 还可以使用更多或更少的数目的电阻器，而不会背离本说明书的范围。电阻器326、328、330 和332的值可以相同或不同。
[0062] 此外，在一个实施例中，栅极驱动器电路312可以包括关断电阻器331。关断电阻器 331的一个端子可以耦合至IGBT 308的栅极端子。关断电阻器331的其它端子可以经由开关 333耦合至DC电压源302的负栅极电压源端子。在一个示例中，DC电压源302可以被配置为从 负栅极电压源端子供给-15伏特。虽然图3的示例实施例描绘一个关断电阻器331的使用，但 是诸如电阻器网络322的另一个电阻器网络可以被用在IGBT 308的栅极端子和DC电压源 302的负栅极电压源端子之间。
[0063] 此外，电阻器网络322还可以包括分别与电阻器326、328、330和332串联电地耦合 的开关334、336、338和340。在一个示例中，开关333、334、336、338和340是M0SFET。开关334、 336、338和340中的一个或多个，在闭合时(例如，在接通状态），使能相应的电阻器的并联耦 合。因此，在IGBT 308的栅极端子处的由电阻器网络322(下文还称为电阻器网络322的等效 值)提供的电阻值是并联耦合的电阻器的并联等效值。通过示例，如果所有的开关334、336、 338和340闭合，则电阻器网络322的等效电阻(REQ)可以使用方程(1)来确定。
[0065] 其中，R326、R328、R33Q和R332分别表示电阻器326、328、330和332的电阻值。
[0066] 类似地，在另一个示例中，如果开关334和336闭合并且开关338和340打开，则电阻 器网络322的等效电阻(REQ)可以使用方程(2)来确定。
[0068] 继续参考图3,栅极驱动器电路312可以进一步包括控制单元342。在一个示例中， 控制单元342可以使用诸如现场可编程门阵列（FPGA)的控制器来实现。在另一个示例中， 控制单元342可以被实现为专用集成电路(ASIC)。在又一个示例中，控制单元342可以使用 微控制器或处理器来实现。在一个实施例中，控制单元342还可以包括诸如存储器(未示出） 的存储介质。
[0069] 此外，在一个实施例中，控制单元342可以从DC电压源302接收偏置电压。控制单元 342可以操作性地耦合至电阻器网络322和关断电阻器331。更具体地，控制单元342可以操 作性地耦合至开关334、336、338、340和333。其中开关包括M0SFET的情况下，控制单元342可 以操作性地耦合至MOSFET的栅极端子。控制单元342可以被配置为通过选择性地操作（例 如，闭合或打开)开关334、336、338和340来控制电阻器网络322,以使在IGBT 308被转变为 接通状态时，电阻器网络322可以在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中提供不 同的等效电阻值。
[0070] 在逆变器电路300的操作期间，为了选择性地操作开关334、336、338和340,控制单 元342被配置为确定延迟阶段、换向阶段或饱和阶段的发生(例如，开始）。在一个实施例中， 在IGBT 308的栅极端子处的栅极电压(Vg)开始升高时，控制单元342被配置为确定延迟阶 段已经起动。
[0071] 在本说明书的一个实施例中，在栅极驱动器电路312的开环控制模式的情况下，控 制单元342被配置为借助于查找表的使用来确定换向阶段和/或饱和阶段的发生。查找表可 以包括信息，该信息包括但不限于对应于各种功率开关的换向阶段和饱和阶段的典型开始 时间。更具体地，查找表可以包括换向阶段和饱和阶段的开始时间和IGBT308的对应型号 (下文也称为身份）。此外，对应于型号的延迟阶段、换向阶段或饱和阶段中的每个的电阻器 网络322的等效电阻的期望的值还可以被存储在查找表中。表1是可以由控制单元342使用 来选择性地操作开关334、336、338和340的示例查找表。
[0072] 表 1
[0074]在一个实施例中，在实现控制单元342用于操作之前，查找表可以被存储在与控制 单元342相关联的存储器中。而且，IGBT的型号也可以被存储在存储器中。
[0075]在逆变器电路300的操作期间，例如，在期望将IGBT 308转变到接通状态上时，控 制单元342可以被配置为基于IGBT 308的给定型号的查找表来确定电阻器网络322对应于 延迟阶段的等效电阻的期望的值。例如，如果IGBT 308的型号是#1，则控制单元342可以被 配置为基于诸如表1的查找表来确定电阻器网络322对应于延迟阶段的等效电阻的期望值 是1欧姆。
[0076] 此外，控制单元342可以被配置为选择性地操作开关334、336、338和340以将电阻 器网络322的等效电阻设置在期望的值。例如，在IGBT 308的延迟阶段中，控制单元342可以 被配置为在接通状态和断开状态之间选择性地切换开关334、336、338和340中的一个或多 个，以使电阻器网络322的等效电阻被设定在1欧姆。在一个示例中，在开关334、336、338和 340是MOSFET时，开关334、336、338和340可以通过在开关334、336、338和340的相应的栅极 端子处提供适当的电压来接通和/或断开。如将意识到的，η沟道M0SFET和p沟道M0SFET要求 要接通和断开的栅极电压的不同极性。一旦电阻器网络322的等效电阻被设定在对应于延 迟阶段的期望的值，则栅极电压(Vg)开始升高。下文中栅极电压(Vg)开始升高的时间被称 作时间Tu
[0077] 在本说明书的一个实施例中，控制单元342可以被配置为在开环控制模式下操作。 在开环控制模式中，换向阶段和/或饱和阶段的开始可以基于在时间T1之后过去的时间来 确定。通过示例，在开环控制模式中，控制单元342可以被配置为监测时间T1之后过去的时 间。控制单元342还可以被配置为在过去的时间超过存储在查找表中的换向阶段和饱和阶 段的对应的开始时间时确定换向阶段和饱和阶段的开始。
[0078] 在本说明书的另一个实施例中，控制单元342可以被配置为在闭环控制模式下操 作。在闭环控制模式下，IGBT 308的开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合 至栅极驱动器电路312。更具体地，开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合至 控制单元342。类似地，其它IGBT 304、306和310的开尔文发射极端子(未示出）和功率发射 极端子也可以耦合至与IGBT 304、306和310相关联的栅极驱动器电路中的相应的控制单 J L· 〇
[0079]此外，在闭环控制模式中，换向阶段和饱和阶段的开始可以基于IGBT 308的开尔 文发射极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe3)的值来确定。例如，在闭环控制模 式下，控制单元342可以被配置为监测开尔文发射极端子307和功率发射极端子309之间的 电压(V kpe)。如将意识到的，电压(Vkpe)可以指示IGBT 308的集电极至发射极电流（ICE)的导 数(dWdt)。此外，电压(Vkpe)可以表示寄生电感311两端的电压。此外，在一个实施例中，控 制单元342可以进一步被配置为将电压(V kpe)的值与第一阈值和第二阈值相比较以分别确 定换向阶段和饱和阶段的开始。第一阈值可以指示换向阶段的开始，并且第二阈值可以指 示饱和阶段的开始。在另一个实施例中，只可以使用一个阈值。例如，如果电压(V kpe3)的值超 过阈值，则控制单元342可以被配置为确定换向阶段已经开始。然而，如果电压(Vkpe)的值降 到阈值以下，则控制单元342可以被配置为确定饱和阶段已经开始。
[0080]在一些实施例中，在闭环控制模式下，IGBT 308的换向阶段和饱和阶段的开始可 以基于IGBT 308的栅极电压(Vg)的值来确定。在这样的实例中，IGBT 308的栅极端子可以 耦合至（未示出）控制单元342。在IGBT 308的栅极电压(Vg)的值分别超过第三阈值和第四 阈值时，控制单元342可以被配置为确定换向阶段和饱和阶段的开始。第三阈值可以指示换 向阶段的开始，并且第四阈值可以指示饱和阶段的开始。
[0081 ]此外，在某些实施例中，在闭环控制模式下，IGBT 308的换向阶段的开始可以基于 IGBT 308的集电极至发射极电压(VCE)的值来确定。在这样的实例中，IGBT 308的集电极端 子和/或功率发射极端子309可以耦合至（未示出）控制单元342。在IGBT 308的集电极至发 射极电压(VCE)的值开始减小时，控制单元342可以被配置为确定换向阶段的开始。
[0082]在本说明书的又一个实施例中，控制单元342可以被配置为在混合模式下操作。在 混合模式中，开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合至栅极驱动器电路312。 更具体地，开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合至控制单元342。类似地， 其它IGBT 304、306和310的开尔文发射极端子和功率发射极端子也可以耦合至与IGBT 304、306和310相关联的栅极驱动器电路中的相应的控制单元。
[0083]在混合模式中，换向阶段和饱和阶段的开始可以基于开尔文发射极端子307和功 率发射极端子309之间的电压(Vkpe)的值和/或时间!^之后过去的时间来确定。在一个实施 例中，控制单元342可以被配置为监测时间1^之后过去的时间和开尔文发射极端子307和功 率发射极端子309之间的电压(V kpe)两者。此外，控制单元342还可以被配置为使用开环控制 模式和闭环控制模式中采用的方法来确定换向阶段和饱和阶段的开始。因此确定的特定阶 段(例如，换向阶段或饱和阶段)的两个开始时间中的更早的可以被识别为特定阶段的开始 时间。例如，如果基于电压(V kpe3)确定的换向阶段的开始时间比基于过去的时间确定的换 向阶段的开始时间晚，则控制单元342可以被配置为将基于电压(V kpe)确定的开始时间识别 为换向阶段的开始时间。
[0084] 此外，控制单元342还可以被配置为基于IGBT 308的型号来确定电阻器网络322对 应于换向阶段和饱和阶段的等效电阻的期望的值。例如，电阻器网络322在换向阶段和饱和 阶段中的等效电阻的期望的值分别是1.5欧姆和0.5欧姆。确定电阻器网络322对应于换向 阶段和饱和阶段中的每个的等效电阻的期望的值的细节会结合图9A和9B更详细地描述。
[0085] 此外，对于换向阶段和饱和阶段中的每个，控制单元342还可以被配置为选择性地 操作开关334、336、338和340以将电阻器网络322的等效电阻设定为期望的值。如前面提到 的，在一个实施例中，电阻器网络322的等效电阻的期望的值可以使用查找表来获取。在换 向阶段和饱和阶段中的每个中选择性地操作开关334、336、338和340的细节会结合图9A和 9B来更详细地描述。此外，如将意识到的，一旦开关334、336、338和340被选择性地操作以在 延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的任何一个中将电阻器网络322的等效电阻设定为期望 的值，则驱动强度(例如，栅电流)被供给至IGBT 308的栅极端子。驱动强度的值可以基于电 阻器网络322的等效电阻的瞬时值。
[0086] 在一个实施例中，在与换向阶段期间电阻器网络322的等效电阻相比较时，控制单 元342可以被配置为在延迟阶段期间将电阻器网络322的等效电阻设定为更低的值。因此， 栅极电压(Vg)可以更快达到IGBT 308的阈值电压。栅极电压(Vg)的这样的快速升高有助于 降低延迟阶段的持续时间（下文中也称为滞后时间）。而且，在与换向阶段期间电阻器网络 322的等效电阻相比较时，控制单元342可以被配置为在饱和阶段期间将电阻器网络322的 等效电阻设定为更低值。因此，在与IGBT 308的集电极至发射极电压(VCE)的转换速率相比 时，IGBT 308的集电极至发射极电压(VCE)的转换速率更高。在饱和阶段中集电极至发射极 电压(VCE)的转换速率的这个增加还有助于减小饱和阶段的持续时间。此外，在换向阶段中 的更高电阻值的使用有助于维持流过续流二极管316的电流的更低转换速率，由此减少续 流二极管316的应力。因此，在换向阶段期间，续流二极管316也被保护。
[0087] 图4是根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的另一个实施例的示意图。特别地， 图4的栅极驱动器电路400展现图3的栅极驱动器电路312的另一个实施例。因此，在一个实 施例中，栅极驱动器电路400可以被在图3的逆变器电路300中采用，取代栅极驱动器电路 312。结合图3的部件来描述图4。
[0088] 栅极驱动器电路400可以包括控制单元402。在一些实施例中，控制电路402的操作 可以基本上等于图3的控制电路342的操作。在将诸如IGBT 308的IGBT的转变为接通状态期 间，除了提供可变电阻之外，栅极驱动器电路400还可以被配置为在将IGBT 308转变为第二 状态期间提供可变电阻。在一个实施例中，第二状态是断开状态。
[0089] 栅极驱动器电路400可以包括具有第一端子440和第二端子442的电阻器网络404。 除了电阻器406、408、410和412以及开关414、416、418和420之外，电阻器网路404还可以包 括电阻器422、424、426和428以及对应的开关430、432、434和436。开关414、416、418和420与 电阻器406、408、410和412分别串联耦合。而且，开关430、432、434和436与电阻器422、424、 426和428分别串联耦合。开关414、416、418、420、430、432、434和436可以由控制单元402选 择性地操作。
[0090] 此外，如图4中描绘的，电阻器406、408、410、412、422、424、426和428的第一端可以 耦合在共同接点438处。在目前的预期配置中，共同接点438耦合至IGBT 308的栅极端子（图 4中未示出）。电阻器406、408、410和412的第二端分别经由开关414、416、418和420耦合至电 阻器网络404的第一端子440。电阻器网络404的第一端子440可以耦合至诸如DC电压源302 的DC电压源的正栅极电压源端子。此外，电阻器422、424、426和428的第二端分别经由开关 422、424、426和428耦合至电阻器网络404的第二端子442。电阻器网络404的第二端子442可 以耦合至DC电压源的负栅极电压源端子。
[0091] 在IGBT 308被转变为接通状态时，控制单元402可以被配置为打开开关430、432、 434和436。此外，控制单元402可以被配置为在IGBT 308被转变为接通状态时，选择性地操 作开关414、416、418和420以在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中提供不同的等效电阻值。 [0092]以类似的方式，在IGBT 308被转变为断开状态时，控制单元402可以被配置为打开 开关414、416、418和420。控制单元402还可以被配置为在IGBT 308正被转变为断开状态时， 选择性地操作开关430、432、434和436以在各个阶段期间提供不同的等效电阻值。
[0093]通过以这种方式实现栅极驱动器电路，除了在IGBT转变至接通状态期间提供可变 电阻之外，还可以在将IGBT转变为断开状态期间提供可变电阻。因此，IGBT的接通时间和断 开时间可以被减小以实现更快的IGBT的切换。
[0094]图5是示出根据本说明书的各方面的在IGBT 308被转变为接通状态时，对应于诸 如图3的IGBT模块348的功率开关模块的各种参数的时间响应的图解说明500。更具体地，在 控制单元342被配置为以开环控制模式操作时，如图5中描绘的时间响应可以被获取。为了 便于说明，图5中只描绘了对应于IGBT模块348的时间响应。其它IGBT模块344、346、350也可 以具有类似的时间响应。
[0095]图解说明500描绘了IGBT 308的栅极电压(Vg)502、集电极至发射极电流（ICE)504 和集电极至发射极电压(Vce)506的时间响应。图解说明500还描绘流过续流二极管316(In) 的电流的时间响应508。此外，在图解说明500中，X轴501表示以微秒为单位的时间，并且Y轴 503表示IGBT 308的栅极电压(Vg)、集电极至发射极电流（ICE)、集电极至发射极电压(VCE) 的值以及流过续流二极管316(In)的电流。IGBT 308的栅极电压(Vg)502的时间响应使用放 大的值来描绘。在一个示例中，IGBT308的栅极电压(V g)的值可以放大大约100倍。延迟阶 段、换向阶段和饱和阶段的持续时间分别由附图标记510、512和514表示。延迟阶段、换向阶 段和饱和阶段的开始时间由Td(例如，Ti)、Tc^PT s表示。此外，如先前指出的，时间Td、Tc^PTs 的值可被存储在查找表中。可以指出的是，与图1的IGBT108的延迟阶段和饱和阶段的持续 时间相比，IGBT 308的延迟阶段和饱和阶段的持续时间实质上更低。IGBT 308的延迟阶段 和饱和阶段的持续时间方面的这个减少是因为与图1的栅极电阻器122的固定值相比，电阻 网络322的等效电阻的适应性改变。
[0096]在本说明书的一些实施例中，在短路情况下，IGBT 308的集电极至发射极电流 (IcE)可以开始升高至更高值。例如，IGBT 308的集电极至发射极电流（ICE)可以升高直至 IGBT 308的短路电流限制的级别。在这样的实例中，如果电阻器网路322的等效电阻的改变 饱和阶段的开始时起动（如在如图5中描绘的），则IGBT 308的集电极至发射极电流（ICE)的 振荡可以被减少，由此在短路情况期间保护IGBT 308。
[0097]图6是示出根据本说明书的各方面的在IGBT 308被转变为接通状态时，对应于诸 如IGBT模块348的功率开关模块的各种参数的另一组时间响应的图解说明600。更具体地， 在控制单元342被配置为以闭环控制模式操作时，图6中描绘的时间响应可以被获取。如先 前指出的，在闭环控制模式中，控制单元342被配置为至少基于出现在开尔文发射极端子 307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)来确定换向阶段和饱和阶段的开始。为了便于 说明，图6中只描述了对应于IGBT模块348的时间响应。其它IGBT模块344、346、350也可以具 有类似的时间响应。
[0098]图解说明600描绘了IGBT 308的栅极电压（Vg)602、集电极至发射极电流（IcE) 604、集电极至发射极电压(VCE)606和电压(Vkpe)616的时间响应。图解说明600还描绘流过 续流二极管316 (In)的电流的时间响应608。此外，在图解说明600中，X轴601表示以微秒为 单位的时间，并且Y轴603表示IGBT 308的栅极电压(Vg)、集电极至发射极电流（ICE)、集电 极至发射极电压(VCE)的值、电压(Vkpe)以及流过续流二极管316(In)的电流。使用放大的 值来描述栅极电压(V g)602的时间响应和IGBT 308的电压(Vkpe)616的时间响应。在一个示 例中，IGBT 308的栅极电压(Vg)和电压(Vkpe)的值可以放大大约100倍。此外，延迟阶段、换 向阶段和饱和阶段的持续时间分别由附图标记610、612和614表示。
[0099]在一个实施例中，如图解说明600中描绘的，在电压(Vkpe)超过第一阈值时，换向 阶段的开始可以被触发。例如，第一阈值可以是2伏特。此外，在电压(Vkpe)超过第二阈值 时，饱和阶段的开始可以被触发。通过示例，第二阈值可以是零(〇)。电压(Vkpe)的零值可以 指示dI CE/dt为OV/ys时的值。在另一个实施例中，当在换向阶段已经被触发之后电压(Vkpe) 的值降到第一阈值以下时，饱和阶段可以被触发。
[0100] 可以指出的是，与图5的图解说明500中的饱和阶段的开始相比，图6的图解说明 600中的饱和阶段开始更早。因此，电阻器322的等效电阻还可以比栅极驱动器电路312的闭 环控制模式的情况更早调节。饱和阶段的这样的早的开始可以有助于进一步缩短饱和阶段 的持续时间，由此减少切换时间和切换损耗。
[0101] 图7是根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的又一个实施例的示意图。特别地， 图7的栅极驱动器电路700展现图3的栅极驱动器电路312的另一个实施例。因此，在一个实 施例中，栅极驱动器电路700可以在图3的逆变器电路300中采用，取代栅极驱动器电路312。 结合图3的部件来描述图7。
[0102] 栅极驱动器电路700可以包括操作性地耦合至可变电流源704的控制单元702。可 变电流源704可以又耦合至IGBT 308的栅极端子。如将意识到的，可变电流源704的输出电 流可以构成IGBT 308的驱动强度。术语驱动强度和栅电流可以互换使用。可变电流源704可 以使用晶体管和/或运算放大器(Opamp)来实现。
[0103] 可以指出的是，控制单元702的操作可以基本等于图3的控制单元342的操作。例 如，控制单元702可以被配置为确定对应于可以以开环控制模式、闭环控制模式或混合模式 操作的栅极驱动器电路312的任何实现中的延迟阶段、换向阶段和/或饱和阶段的开始时 间。在图7的实施例中，一旦延迟阶段、换向阶段和/或饱和阶段中任何一个的开始被确定， 则控制单元702可以被配置为控制可变电流源704,以使在IGBT 308被转变为接通状态时， 在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中供给不同的驱动强度。更具体地，控制单 元702可以被配置为控制可变电流源704,以使将IGBT 308转变为接通状态的总时间被减 少。
[0104] 在一个实施例中，与在换向阶段中供给的栅电流相比，在延迟阶段和/或饱和阶段 中由可变电流源704供给至IGBT 308的栅极端子的驱动强度可以更高，由此减少延迟阶段 和饱和阶段的持续时间。延迟阶段和饱和阶段的持续时间中的这个减小可以又减少将IGBT 308转变至接通状态的总时间。此外，在换向阶段中供给更低栅电流的供应有助于维持流过 续流二极管316的电流的转换速率在低的值。流过续流二极管316的电流的转换速率的这个 低的值保护续流二极管316。
[0105] 图8描绘了说明根据本说明书的方面的用于驱动诸如图3的IGBT 308的功率开关 的示例方法的流程图800。结合图3的逆变器电路300的部件来描述流程图800。如先前指出 的，逆变器电路300可以包括IGBT模块342-350和栅极驱动器电路312。此外，IGBT模块包括 IGBT 304-310和续流二极管314-320。此外，栅极驱动器电路312可以包括电阻器网络322。 而且，控制单元342被配置为控制电阻器网络322。
[0106] 在步骤802,在诸如IGBT 308的功率开关被转变为第一状态时，延迟阶段、换向阶 段和饱和阶段的发生可以被确定。在一个实施例中，第一状态是接通状态。延迟阶段、换向 阶段和饱和阶段的发生由栅极驱动器电路312的控制单元342确定。在一个实施例中，延迟 阶段、换向阶段和饱和阶段的发生可以基于查找表来确定。在另一个实施例中，延迟阶段、 换向阶段和饱和阶段的发生可以基于出现在开尔文发射极端子307和功率发射极端子309 之间的电压(Vkpe)和查找表来确定。步骤802的进一步细节将在图9A和9B的流程图中描述。
[0107] 在步骤804,耦合至IGBT 308的电阻器网络，诸如电阻器网络322,可以被控制为以 使在当IGBT 308被转变为接通状态时的延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中， 电阻器网络322可以提供不同的电阻值。在一个实施例中，电阻器网络322由控制单元342通 过选择性地操作开关334、336、338和340来控制。步骤804的进一步细节将在图9A和9B的流 程图中描述。
[0108] 图9A和9B描绘了根据本说明书的方面的图8的方法的具体流程图900。结合图3的 逆变器电路300的部件来描述流程图900。如先前提到的，在为操作而实现控制单元342之 前，控制单元342被配置为将查找表存储在，例如存储器中。而且，栅极驱动器单元312电地 耦合至的IGBT(在这个示例中，IGBT 308)的型号也被存储在与控制单元342相关联的存储 器中。备选地，控制单元342可以被配置为从控制单元342的外部的源获取期望的信息。
[0109] 如由步骤902指示的，在逆变器电路300的操作期间，可以确定用于将诸如IGBT 308的功率开关转变为第一状态的需要。在一个实施例中，第一状态是接通状态。在一个实 施例中，控制单元342可以被用于基于负载324两端的AC信号的期望的周期来确定用于将 IGBT 308转变为接通状态的需要。在另一个实施例中，控制单元342可以从另一个控制器 (未示出）接收命令信号，其中命令信号指示需要将IGBT 308转变为接通状态。
[0110] 如由步骤904指示的，如果确定期望将IGBT 308转变为接通状态，则控制单元342 可以被配置为确定对应于延迟阶段的电阻器网络322的等效电阻的期望的值。在一个实施 例中，控制单元342可以被配置为基于查找表来确定电阻器网络322的等效电阻的期望的 值。例如，如果IGBT 308的信号是#1，则控制单元342可以被配置为从查找表获取电阻器网 络322对应于延迟阶段的等效电阻的期望的值，如具有1欧姆的值。
[0111] 随后，在步骤906,控制单元342可以被配置为选择性地操作电阻器网络322中的开 关334、336、338和340,以使电阻器网络322的等效电阻被设定至1欧姆的期望的值。因此，在 延迟阶段中，1欧姆的电阻可以被提供至IGBT 308的栅极端子。一旦等效电阻的期望的值被 提供至IGBT 308的栅极端子，IGBT 308的栅极电压可以开始升高。栅极电压(Vg)开始升高 的时间被称为时间Ti。一旦栅极电压(Vg)开始升高，控制单元342可以被配置为确定延迟阶 段已经起动。下文中，延迟阶段、换向阶段和饱和阶段的开始时间分别被称为时间Td(例如， T10〇58)、Tc^PTs。在一个实施例中，在栅极驱动器电路312的开环控制模式的情况下，IGBT 308的给定型号的时间Tc^PTs被存储在查找表中。
[0112] 此外，在步骤908,控制单元342可以被配置为确定换向阶段的发生。在一个实施例 中，在栅极驱动器电路312的开环控制模式情况下，控制单元342可以被配置为监测时间T1 之后过去的时间。下文中，时间T1之后过去的时间被称为时间Ti。在另一个实施例中，在栅 极驱动器电路312的闭环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测出现在IGBT 308的开尔文发射极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)。在又一个实施例中， 在栅极驱动器电路312的混合模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测时间!^和出现 在开尔文发射极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)两者以确定换向阶段的 发生。
[0113] 此外，如由步骤910指示的，检查可以由控制单元342实施以确定换向阶段是否已 经起动。在一个实施例中，在开环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为将时间 与存储在查找表中的时间T c相比较。如果等于T。，则控制单元342可以确定换向阶段已经 开始。在另一个实施例中，在闭环控制模式情况下，控制单元342可以被配置为将电压 (Vkpe)的值与第一阈值(例如，2伏特)相比较。如果电压的值(Vkpe)超过第一阈值，则控制 单元342可以确定换向阶段已经开始。在另一个实施例中，在混合模式的情况下，控制单元 342可以被配置为将换向阶段的开始确定为是基于时间!^确定的换向阶段的开始和基于电 压(Vkpe)确定的换向阶段的开始中的更早的那个。
[0114]如由步骤912指示的，一旦换向阶段已经开始，则控制单元342可以被配置为确定 电阻器网络322对应于换向阶段的等效电阻的期望的值。在一个示例中，电阻器网络322对 应于换向阶段的等效电阻的期望的值可以从查找表获取。例如，如果IGBT 308的型号是#1， 则控制单元342可以被配置为确定换向阶段中电阻器网络322的等效电阻的期望的值，为 1.5欧姆。
[0115] 此外，在步骤914,控制单元342可以被配置为选择性地操作电阻器网络322中的开 关334、336、338和340。更具体地，控制单元342可以被配置为选择性地操作开关334、336、 338和340,以使电阻器网络322的等效电阻被设定至电阻器网络322的等效电阻的期望的 值。
[0116] 此外，在步骤916,控制单元342可以被配置为确定饱和阶段的发生。在一个实施例 中，在开环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测时间!^。在另一个实施例中， 在闭环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测出现在IGBT 308的开尔文发射 极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)。在又一个实施例中，在混合模式的情 况下，控制单元342可以被配置为监测时间Ti和出现在IGBT 308的开尔文发射极端子307和 功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)。
[0117] 随后，如由步骤918描绘的，检查可以由控制单元342实施以确定饱和阶段是否已 经起动。在一个实施例中，在开环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为将时间 与存储在查找表中的时间T s相比较。如果Ti等于Ts，则控制单元342可以确定饱和阶段已经 开始。在另一个实施例中，在闭环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为将电压 (Vkpe)的值与第二阈值(例如，0伏特)相比较。如果电压(Vkpe)的值超过第二阈值，则控制 单元342可以确定饱和阶段已经开始。在另一个实施例中，当在换向阶段已经发生之后电 压(Vkpe)的值降到第一阈值以下时，饱和阶段的开始可以被确定。在另一个实施例中，在混 合模式的情况下，控制单元342可以被配置为将饱和阶段的开始确定为基于时间确定的 饱和阶段的开始和基于电压(Vkpe)确定的饱和阶段的开始中更晚的那个。
[0118] 如由步骤920指示的，一旦饱和阶段开始，控制单元342可以被配置为确定电阻器 网络322对应于饱和阶段的等效电阻的期望的值。在一个示例中，电阻器网络322对应于饱 和阶段的等效电阻的期望的值可以从查找表获取。例如，如果IGBT 308的型号是#1，则控制 单元342可以被配置为确定饱和阶段中电阻器网络322的等效电阻的期望的值为0.5欧姆。
[0119] 此外，在步骤922,控制单元342可以被配置为选择性地操作电阻器网络322中的开 关334、336、338和340,以使电阻器网络322的等效电阻被设定至基于查找表确定的电阻器 网络322的等效电阻的期望的值。一旦电阻器网络322的等效电阻被设定至饱和阶段的期望 的值，则控制可以返回步骤902,并且步骤902-922可以如期望的被重复。
[0120] 此外，诸如可以由栅极驱动器电路中的控制器单元执行的那些前述的示例、演示 和方法步骤可以以适当代码的形式存储在非暂时性计算机可读媒体中。代码可以在基于处 理器的系统上执行，诸如通用或专用计算机。还应当指出。本说明书的不同的实现可以以不 同的顺序或基本同时(也就是并行)执行本文中描述的步骤中的一些或全部。此外，功能可 以用以多种编程语言实现，包括但不限于C++或Java。这样的代码可以被存储或适用于存储 在一个或多个有形的计算机可读媒体上，诸如存储在数据存储库芯片、本地或远程的硬盘、 光盘（即，CD或DVD)、存储器或可以由基于处理器的系统访问以执行存储的代码的其它媒体 上。注意，有形媒体可以包括纸张或者其上打印指令的另一个适合的介质。例如，指令可以 经由纸张或其它介质的光学扫描来用电子仪器收集，然后编译、解释或如果需要的话以合 适的方式另外处理，并且然后存储在数据存储库或存储器中。
[0121] 用于驱动功率开关的栅极驱动器电路的实施例和方法通过减少滞后时间和饱和 阶段的持续时间来促进功率开关的更快的切换。此外，栅极驱动器电路的使用促进功率开 关的切换损耗的减少。此外，续流二极管上的应力也被减少。
[0122] 将意识到，上面公开的变体和其它特征和功能，或者其备选方案可以组合以创造 许多其它不同的系统或应用。其中的各种未预料到的备选、修改、变化或改进随后可以由本 领域技术人员做出，并且还预期由随附权利要求书包含。
【主权项】
1. 一种用于驱动功率开关的栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括： 电阻器网络，所述电阻器网络耦合至所述功率开关，其中所述电阻器网络包括多个电 阻器；以及 控制单元，所述控制单元操作地耦合至所述电阻器网络并且配置为控制所述电阻器网 络，以使在所述功率开关被转变为第一状态时，所述电阻器网络在延迟阶段、换向阶段和饱 和阶段中的至少两个中提供不同的电阻值。2. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述第一状态是接通状态。3. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关被设置在逆变器电路中。4. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关包括绝缘栅双极晶体管、 反向导电绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管 中的至少一个。5. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述电阻器网络耦合至所述功率开关 的栅极端子。6. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述电阻器网络进一步包括耦合至所 述多个电阻器的多个开关。7. 根据权利要求6所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元操作地耦合至所述多个 开关并且被配置为基于所述延迟阶段、所述换向阶段或所述饱和阶段的发生来选择性地将 所述多个开关中的一个或多个在接通状态和断开状态之间转变。8. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为控制所 述电阻器网络，以使在所述延迟阶段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值有 助于最小化所述延迟阶段或所述饱和阶段的持续时间。9. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为控制所 述电阻器网络，以使在所述延迟阶段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值比 在所述换向阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值更小。10. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关包括耦合在所述功率开 关的集电极端子和发射极端子之间的续流二极管。11. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为基于所 述功率开关的身份和与所述延迟阶段、所述换向阶段和所述饱和阶段的开始关联的对应时 间戳来检测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。12. 根据权利要求11所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为获取 对应于与所述延迟阶段、所述换向阶段和所述饱和阶段的开始相关联的时间戳的值，以及 从查找表获取对应于所述时间戳的电阻值。13. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为基于流 过所述功率开关的电流的导数来检测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。14. 根据权利要求13所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为监测 所述功率开关的开尔文端子和功率端子之间的电压，并且其中所述功率开关的所述开尔文 端子和所述功率端子之间的所述电压指示流过所述功率开关的电流的导数。15. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为监测所 述功率开关的栅极电压和集电极至发射极电压中的至少一个以检测所述换向阶段和所述 饱和阶段的发生。16. -种用于驱动功率开关的栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括： 可变电流源，所述可变电流源耦合至所述功率开关并配置为将驱动强度供给至所述功 率开关；以及 控制单元，所述控制单元操作地耦合至所述可变电流源并配置为控制所述可变电流 源，以使在所述功率开关被转变为接通状态时，在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少 两个中供给不同的驱动强度。17. 根据权利要求16所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关包括绝缘栅双极晶体 管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体 管中的至少一个。18. 根据权利要求17所述的栅极驱动器电路，其中所述驱动强度包括供给至所述绝缘 栅双极晶体管、所述反向导电绝缘栅双极晶体管、所述双模式绝缘栅晶体管、以及所述金属 氧化物半导体场效应晶体管中的至少一个的相应的栅极端子的栅电流。
【文档编号】H03K17/567GK205725692SQ201521145512
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2015年11月17日
【发明人】T·A·策尔斯, A·J·马里库尔贝罗, M·加西亚克莱门特
【申请人】通用电气公司
【专利摘要】公开了一种用于驱动功率开关的栅极驱动器电路。所述栅极驱动器电路包括耦合至所述功率开关的电阻器网络。所述电阻器网络包括多个电阻器。所述栅极驱动器电路进一步包括操作地耦合至所述电阻器网络的控制单元。所述控制单元被配置为控制所述电阻器网络，以使在所述功率开关被转变为第一状态时，所述电阻器网络在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中提供不同的电阻值。
【专利说明】
用于驱动功率开关的栅极驱动器电路
技术领域
[0001] 本说明书的实施例涉及半导体功率开关，并且更具体地涉及用于控制半导体功率 开关的切换的栅极驱动器电路。
【背景技术】
[0002] 诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT)、反向导电IGBT、双模式绝缘栅晶体管(BiGT)、金属 氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)等等的功率开关已经被用在需要使用高功率、高电压 或高电流的应用中。这样的应用中的一些示例包括但不限于诸如逆变器、整流器、斩波器和 直流(DC)-DC转换器的功率转换器。在这些应用中，在其中采用的功率开关的切换定时在功 率转换器的性能方面起着重要作用。
[0003] 诸如IGBT模块的功率开关模块通常包括与绝缘栅双极晶体管（IGBT)反并联耦合 的续流二极管。此外，将IGBT转变为接通状态包括三个阶段，诸如延迟阶段、换向阶段和饱 和阶段。因此，IGBT的"接通"时间是延迟阶段、换向阶段和饱和阶段持续时间的总和。
[0004] 如将意识到的，例如，栅极驱动器电路有助于控制用在可以在逆变器电路中依次 采用的功率开关模块中的功率开关的切换。逆变器电路中使用的功率开关可以包括IGBT。 栅极驱动器电路通常被采用以控制IGBT的栅极电压，用于控制逆变器电路中IGBT的切换。
[0005] 在操作中，栅极驱动器电路通过电阻器(下文中称为栅极电阻器)将栅极电压供给 至IGBT的栅极端子。通常，栅极电阻器的值是固定值。例如，栅极电阻器可以被选择以使 IGBT在最坏情况的条件下令人满意地执行。更具体地，栅极电阻器的值通常被选择以使 IGBT中的续流二极管被保护，以免受到换向阶段中诱发的应力。因此，栅极电阻器的这样 的值有助于维持流过续流二极管的电流的更低转换速率，并由此保护续流二极管。然而，这 样的固定配置的栅极电阻器的使用由于长延迟时间和高切换损耗还导致降低延迟阶段和 饱和阶段中的IGBT的性能。此外，IGBT在延迟阶段和饱和阶段中的这样的降低的性能妨碍 其中要求高速切换的应用中的栅驱动电路的可操作性。因为更快的切换时间是针对更高效 率的许多应用中的因素，所以工业要求不遭受提到的不足的栅极驱动器。
【发明内容】
[0006] 根据本说明书的方面，公开了用于功率开关的栅极驱动器电路。所述栅极驱动器 电路包括耦合至所述功率开关的电阻器网络。所述电阻器网络包括多个电阻器。所述栅极 驱动器电路进一步包括操作地耦合至所述电阻器网络的控制单元。所述控制单元被配置为 控制所述电阻器网络，以使在所述功率开关被转变为第一状态时，所述电阻器网络在延迟 阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中提供不同的电阻值。
[0007] 较佳地，所述第一状态是接通状态。
[0008] 较佳地，所述功率开关被设置在逆变器电路中。
[0009] 较佳地，所述功率开关包括绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模 式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管中的至少一个。
[0010] 较佳地，所述电阻器网络耦合至所述功率开关的栅极端子。
[0011] 较佳地，所述电阻器网络进一步包括耦合至所述多个电阻器的多个开关。
[0012] 较佳地，所述控制单元操作地耦合至所述多个开关并且被配置为基于所述延迟阶 段、所述换向阶段或所述饱和阶段的发生来选择性地将所述多个开关中的一个或多个在接 通状态和断开状态之间转变。
[0013] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为控制所述电阻器网络，以使在所述延迟阶 段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值有助于最小化所述延迟阶段或所述 饱和阶段的持续时间。
[0014] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为控制所述电阻器网络，以使在所述延迟阶 段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值比在所述换向阶段中由所述电阻器 网络提供的电阻值更小。
[0015] 较佳地，所述功率开关包括耦合在所述功率开关的集电极端子和发射极端子之间 的续流二极管。
[0016] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为基于所述功率开关的身份和与所述延迟阶 段、所述换向阶段和所述饱和阶段的开始关联的对应时间戳来检测所述换向阶段和所述饱 和阶段的发生。
[0017] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为获取对应于与所述延迟阶段、所述换向阶 段和所述饱和阶段的开始相关联的时间戳的值，以及从查找表获取对应于所述时间戳的电 阻值。
[0018] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为基于流过所述功率开关的电流的导数来检 测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。
[0019] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为监测所述功率开关的开尔文端子和功率端 子之间的电压，并且其中所述功率开关的所述开尔文端子和所述功率端子之间的所述电压 指示流过所述功率开关的电流的导数。
[0020] 较佳地，所述控制单元进一步被配置为监测所述功率开关的栅极电压和集电极至 发射极电压中的至少一个以检测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。
[0021] 根据本说明书的另一个方面，公开了用于驱动功率开关的方法。所述方法包括确 定在所述功率开关被转变为接通状态时延迟阶段、换向阶段和饱和阶段的发生。所述方法 进一步包括耦合至所述功率开关的电阻器网络，以使在所述功率开关被转变为接通状态 时，所述电阻器网络在所述延迟阶段、所述换向阶段和所述饱和阶段中的至少两个中提供 不同的电阻值，其中所述电阻器网络包括多个电阻器。
[0022] 根据本说明书的又一个方面，公开了用于驱动功率开关的栅极驱动器电路。所述 栅极驱动器电路包括耦合至所述功率开关的可变电流源。所述可变电流源被配置为将驱 动强度供给至所述功率开关。此外，所述栅极驱动器电路包括操作地耦合至所述可变电流 源的控制单元。所述控制单元被配置为控制所述可变电流源，以使在所述功率开关被转变 为接通状态时，在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中供给不同驱动强度。
[0023] 较佳地，所述功率开关包括绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模 式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)中的至少一个。
[0024] 较佳地，所述驱动强度包括供给至所述绝缘栅双极晶体管、所述反向导电绝缘栅 双极晶体管、所述双模式绝缘栅晶体管、以及所述金属氧化物半导体场效应晶体管中的至 少一个的相应的栅极端子的栅电流。
【附图说明】
[0025]在参考附图来阅读下面的【具体实施方式】时，本说明书的这些和其它特征、方面和 优点会变得更好理解，其中在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部分，其中：
[0026]图1是常规逆变器电路的示意图；
[0027] 图2是在功率开关转变为接通状态时用在图1的逆变器电路中的功率开关的各种 参数的时间响应的图解说明；
[0028] 图3是采用根据本说明书的方面的示范栅极驱动器电路的逆变器电路的示意图；
[0029] 图4是采用根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的另一个实施例的示意图；
[0030] 图5是根据本说明书的方面的开环控制模式中的功率开关的各种参数的时间响应 的图解说明；
[0031] 图6是根据本说明书的方面的闭环控制模式中的功率开关的各种参数的时间响应 的图解说明；
[0032] 图7是根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的又一个实施例的示意图；
[0033] 图8描绘了根据本说明书的方面的用于驱动功率开关的示例方法的流程图；以及 [0034]图9A和9B描绘了根据本说明书的方面的图8的方法的具体流程图。
【具体实施方式】
[0035] 参考本文中阐述的具体附图和描述，本说明书可以被最好地理解。下文中参考附 图描述各种实施例。然而，本领域技术人员会轻易地意识到本文中参考这些附图而给出的
【具体实施方式】仅仅为了解释的目的，因为方法和系统扩展到描述的实施例之外。
[0036] 在下面的说明书和权利要求中，单数形式"一"和"所述"包括复数的事物，除非上 下文另外清楚指出。如本文中使用的，词语"或者"并不意味着是排它的，而是除非文本另外 清晰指出，否则指的是存在的参考部件中的至少一个，并且包括其中参考部件的组合可以 存在的实例。
[0037] 如本文中使用的，术语"可以"和"可以是"指示一组情况内的发生;拥有特定性能、 特征或功能的可能性;和/或通过表达与限定动词相关联的能力、性能或可能性中的一个或 多个来限定另一个动词。因此，"可能"和"可能是"的使用指示修改的术语明显适合、能够或 适用于指示的能力、功能或使用，同时考虑到在一些情况下，修改的术语有时可能不是适 合、能够或适用的。
[0038] 图1是常规逆变器电路100的示意图。逆变器电路100包括直流(DC)电压源102和诸 如IGBT模块124、126、128和130的一个或多个功率开关模块的布置。下文中，IGBT模块124、 126、128和130被总称为IGBT模块124-130 dGBT模块124-130可以分别包括IGBT 104、106、 108和110。下文中，IGBT 104、106、108和110被总称为IGBT 104-110。此外，在一些实施例 中，IGBT模块124-130还可以包括反并联耦合在IGBT 104、106、108和110的相应的集电极 端子和发射极端子之间的续流二极管114、116、118和120,如图1中描绘的。
[0039] DC电压源102可以包括电池、DC-DC功率源或能够供给DC电压的任意其它能量源。 DC电压源102可以供给多于一个电压电平。通过示例，来自DC电压源102的输出电压电平可 以包括-15伏特和+15伏特的栅供给电压以及栅极驱动器单元112的偏置电压。
[0040] IGBT模块124-130耦合至DC链路。来自DC链路的电压被用于操作IGBT模块ΜΑ-? 30 。 如图 1 中 示出的 ，逆变器电路 100 、 IGBT 模块 124-130 被示出为 以标准 Η 桥接配置耦合 。更 具体地，IGBT 104和108的集电极端子耦合至DC链路的正端子。此外，如图1中描绘的，IGBT 106和110的发射极端子耦合至DC链路的负端子。然而，IGBT 106和110的发射极端子可以接 地。此外，IGBT 104的发射极端子可以电地耦合至IGBT 110的集电极端子。类似地，IGBT 108的发射极端子可以电地耦合至IGBT 116的集电极端子。
[0041 ] 逆变器电路110通常耦合至负载132。更具体地，负载132耦合在IGBT 104和108的 发射极端子之间。负载132可以表示任何电气设备，例如，家庭或工业电气装置。
[0042] 此外，逆变器电路100可以包括一个或多个栅极驱动器单元，诸如通过栅极电阻器 122耦合至IGBT 108的栅极端子的栅极驱动器单元112。通常，栅极驱动器单元112被配置为 控制IGBT 108的栅极电压(Vg)以控制IGBT 108在接通和断开状态之间的切换。
[0043]通常，在IGBT的集电极至发射极电压(VCE)的值变为基本上等于IGBT的正向电压降 的值时，IGBT被叫作处于"第一状态"、"接通状态"或"接通"，并且对应的续流二极管不导 电。通常，IGBT的正向电压降的值为几百毫伏至几伏的数量级。此外，在IGBT的集电极至发 射极电压(VeE)的值基本上接近DC链路电压时，IGBT被叫作处于"第二状态"、"断开状态"或 "断开"，并且对应的续流二极管不导电。此外，术语"接通时间"被用来指将IGBT从断开状态 转变为接通状态所占用的时间。类似地，术语"断开时间"被用来指将IGBT从接通状态转变 为断开状态所占用的时间。
[0044] 栅极驱动器单元112被配置为通过栅极电阻器122将栅极电压（Vg)施加至IGBT 108的栅极端子。栅极电阻器122处于固定值并被硬配置在栅极驱动器单元112和IGBT 108 的栅极端子之间。虽然栅极电阻器122被示出为耦合在栅极驱动器单元112和IGBT 108的栅 极端子之间，但是栅极电阻器122可以被设置在栅极驱动器单元112内。在一个示例中，在变 换从续流二极管116至IGBT 108的电流时，栅极电阻器122被选择以使流过对应于IGBT 106 的续流二极管116的电流的转换速率被维持在低值以保护续流二极管116。通过示例，栅极 电阻器122可以具有大约5欧姆的值。在图1中，为了图解和简洁，只示出了一个栅极驱动器 单元112。如将意识到的，另外的这样的栅极驱动器单元也可以耦合至其它IGBT 104、106和 110的栅极端子以控制相应的IGBT的切换。
[0045] IGBT 104-110中的每个的切换通过诸如栅极驱动器单元112的相应的栅极驱动器 单元选择性地控制。在逆变器电路100中，IGBT104-110的切换被控制以使交流(AC)电压在 负载132两端出现。为了获取负载132两端的AC电压，栅极驱动器单元112可以将IGBT 104和 106转变为接通状态，同时IGBT 108和110被维持在断开状态。在这样的实例中，来自DC链路 的正端子的电流流过IGBT 104、负载132和IGBT 106。因此，负电压在负载132两端出现。 [0046] 通常，在将IGBT 108和110切换至接通状态之前，IGBT 104和106可以被断开。在 IGBT 104和106被断开时段期间和在IGBT 108和110被接通之前，流过负载132的电流被中 断。感应负载，诸如负载132,阻碍流过其的电流的突然中断。更具体地，负载132试图维持电 流的流动。然而，因为所有的IGBT 104-110都处于断开状态，所以来自负载132的电流流过 正向偏置的续流二极管118至DC链路。
[0047]在IGBT 108和110被转变为接通状态时，来自DC链路的正端子的电流流过IGBT 108、负载132和IGBT 110。因此，正电压在负载132两端出现。IGBT 104-110的这样的周期切 换生成负载132两端的AC电压。
[0048]流过续流二极管116的电流和流过负载132的电流构成流过IGBT 108的电流。通 常，流过负载132的电流保持恒定。因此，在IGBT108正被转变为接通状态时，流过IGBT 108 (通常在换向阶段)的电流可以又影响续流二极管116。因此，流过续流二极管116的电流的 转换速率需要被控制以保护续流二极管116。类似地，在IGBT 106、110和104正转变为接通 状态时，这样的电流还分别流过续流二极管118、114和120。
[0049]图2是在IGBT 108转变为接通状态期间诸如图1的IGBT模块128的功率开关模块的 各种参数的时间响应的图解说明200。参考图1描述图2中描绘的时间响应。为了图解和简 洁，图2中描绘了对应于IGBT模块128的时间响应。其它IGBT模块124、126和130还可以在它 们分别转变为接通状态期间具有类似的时间响应。
[0050]更具体地，图解说明200描绘IGBT 108的栅极电压(Vg)202、集电极至发射极电流 (IcE)204和集电极至发射极电压(VCE)206的时间响应。图解说明200还描绘流过续流二极管 116(In)的电流的时间响应208。在图解说明200中，X轴201表示以微秒为单位的时间，并且Y 轴203表示IGBT 108的栅极电压（Vg)、集电极至发射极电流（IcE)、集电极至发射极电压 (VeE)的值以及流过续流二极管116 (I η)的电流。可以注意到，IGBT 108的栅极电压(Vg) 202 的时间响应使用按比例放大的值来描绘。在一个示例中，IGBT 108的栅极电压(Vg)的值可 以放大大约100倍。
[0051]在转变为第一状态期间，IGBT 108循环通过延迟阶段、换向阶段和饱和阶段。在一 个实施例中，第一状态是接通状态。因此，IGBT108的"接通时间"可以等于延迟阶段(备选地 称为预升压阶段）、换向阶段和饱和阶段(备选地称为饱和阶段)的持续时间之和。
[0052]参见栅极电压(Vg)的时间响应202,在栅极电压(Vg)开始升高时延迟阶段开始，并 且在栅极电压(Vg)达到IGBT 108的阈值电压时结束。在一个示例中，IGBT 108的阈值电压 可以是6伏特。延迟阶段的持续时间由附图标记210表示。在延迟阶段期间，IGBT 108不导 电。栅极电压(Vg)升高的转换速率取决于栅极电阻器122的电阻。例如，栅极电阻器122的电 阻越低，栅极电压(Vg)升高的转换速率越快。然而，如先前提到的，栅极电阻器122的值被选 择以保护续流二极管116。因此，如图2中描绘的，延迟阶段210的持续时间特别大。延迟阶段 210的这个大持续时间有助于增加 IGBT 108的接通时间。
[0053]此外，在栅极电压(Vg)达到对应于IGBT 108的阈值电压时换向阶段开始，并且在 流过续流二极管116(In)(例如，换向电流)的电流达到负方向的最大值时结束。在续流二极 管进入阻断模式时，流过续流二极管116的电流具有负值。此外，如先前提到的，流过 IGBT108的电流是流至负载132的电流和流过续流二极管116的电流之和。在换向阶段期间， 流过负载132的电流是恒定的。因此，为了保护续流二极管116和限制控制电磁发射，流过续 流二极管116(I n)的电流的转换速率需要被控制。因此，要求栅极电阻器122的值更高。如先 前提到的，栅极电阻器122被选择以使流过续流二极管116(In)的电流的转换速率被维持在 低值以保护续流二极管116。然而，在这样的配置中，当栅极电阻器122被硬配置时，流过续 流二极管116 (In)的电流的转换速率还可以被DC链路电压改变、流过负载132的电流改变和 IGBT 108中的结温度改变中的一个或多个影响。换向阶段的持续时间由附图标记212表示。
[0054]饱和阶段在换向阶段的结尾开始，并且在IGBT 108达到接通状态时结束。饱和阶 段的持续时间由附图标记214表示。在饱和阶段214期间，IGBT 108的集电极至发射极电压 (VeE)的值从接近于DC链路电压电平降低至诸如等效于IGBT 108的正向电压降的电压值的 低电平。集电极至发射极电压(VCE)的转换速率由栅极电阻器122的值来控制。例如，栅极电 阻器122的电阻越高，集电极至发射极电压(V CE)的转换速率越低。然而，续流二极管116上的 应力与集电极至发射极电压(VCE)的转换速率无关。因此，集电极至发射极电压(V CE)的高 转化速率被期望减少切换损耗并迅速地将IGBT 108转变为接通状态。然而，栅极电阻器122 被选择为具有足够高的值(例如，5欧姆）以限制换向阶段212中流过续流二极管116的电流 的转换速率。由于栅极电阻器122的电阻的高的值，集电极至发射极电压(V CE)的转换速率比 如果只有饱和阶段中的行为需要被优化的情况下集电极至发射极电压(VCE)的转换速率可 能的值低。因此，如图2中描绘的，饱和阶段的持续时间也实质上更大。饱和阶段的大的持续 时还有助于增加 IGBT 108的接通时间。
[0055]因此，使用被选择来保护续流二极管116的栅极电阻器122的固定值增加了 IGBT 108总接通时间。IGBT 108接通时间的增加又限制了包括这样的在高频应用中的IGBT的逆 变器电路100的使用。
[0056]图3是采用根据本说明书的方面的示范栅极驱动器电路的逆变器电路300的示意 图。示范栅极驱动器电路的使用有助于避开当前可用的逆变器电路的缺点。
[0057] 图3的逆变器电路300包括直流(DC)电压源302和诸如IGBT模块344、346、348和350 的一个或多个功率开关模块的布置。IGBT模块344、346、348和350被总称为IGBT模块344-350 JC电压源302类似于图1的DC电压源102,并且可以被配置为供给多于一个电压电平。例 如，来自DC电压源302的输出电压电平可以包括-15伏特和+15伏特的电压以及栅驱动单元 312的偏置电压。在图3的实施例中，DC电压源302被示出在栅极驱动器电路312之外。然而， 在一些实施例中，DC电压源302可以形成栅极驱动器电路312的一部分。
[0058] IGBT模块344-350可以具有基本类似于图1的IGBT模块124-130的配置的配置。例 如，IGBT 344、346、348和350还可以分别包括IGBT 304、306、308和310。此外，IGBT模块344、 346、348和350还可以包括分别与IGBT 304、306、308、110反并联耦合的续流二极管314、 316、318和320JGBT 304、306、308和310被总称为IGBT 304-310。此外，IGBT 304-310中的 每个还可以包括耦合至相应的功率发射极端子的开尔文发射极端子。为了便于说明，图3 中描绘了只对应于诸如IGBT 308的一个IGBT的开尔文发射极端子307和功率发射极端子 309 〇
[0059] 在逆变器电路300中，IGBT模块344-350以标准Η桥接逆变器配置耦合。此外，如在 图3中描绘的，负载324耦合至逆变器电路300的IGBT模块344-350。在一些实施例中，逆变器 电路300的操作可以类似于图1的逆变器电路100的操作。虽然图3的实施例示出IGBT模块 344-350为以标准Η桥接逆变器配置耦合，但是诸如半桥接逆变器配置的其它配置的使用也 是预期的。
[0060] 在一个实施例中，逆变器电路300可以进一步包括一个或多个栅极驱动器电路，诸 如耦合至IGBT的栅极端子的栅极驱动器电路312。为了便于说明，在图3的实施例中，逆变器 电路300被示出为包括可操作地耦合至IGBT 308的一个栅极驱动器电路312。另外的栅极驱 动器电路还可以与其它IGBT 304、306和310-起使用。此外，在又一个实施例中，公共栅极 驱动器电路还可以被实现用来于控制IGBT 304-310的切换。此外，虽然在图3的实施例中 IGBT 304-310被描绘为功率开关，包括但不限于反向导电的IGBT、BiGT或MOSFET的其它类 型的半导体装置可以被用作功率开关，而不会背离本说明书的范围。
[0061] 在现在的预期配置中，栅极驱动器电路312包括耦合至IGBT308的栅极端子的电阻 器网络322。更具体地，电阻器网络322的第一端子321耦合至DC电压源302的正向栅极电压 供给端子。在一个示例中，DC电压源302可以被配置为从正栅极电压源端子供给+15伏特。此 外，电阻器网络322的第二端子323耦合至IGBT 308的栅极端子。电阻器网络322包括耦合在 电阻器网络322的第一端子321和第二端子323之间的多个电阻器，诸如电阻器326、328、330 和332。虽然图3的实施例将电阻器网络322描绘为包括四个电阻器326、328、330和332,但是 还可以使用更多或更少的数目的电阻器，而不会背离本说明书的范围。电阻器326、328、330 和332的值可以相同或不同。
[0062] 此外，在一个实施例中，栅极驱动器电路312可以包括关断电阻器331。关断电阻器 331的一个端子可以耦合至IGBT 308的栅极端子。关断电阻器331的其它端子可以经由开关 333耦合至DC电压源302的负栅极电压源端子。在一个示例中，DC电压源302可以被配置为从 负栅极电压源端子供给-15伏特。虽然图3的示例实施例描绘一个关断电阻器331的使用，但 是诸如电阻器网络322的另一个电阻器网络可以被用在IGBT 308的栅极端子和DC电压源 302的负栅极电压源端子之间。
[0063] 此外，电阻器网络322还可以包括分别与电阻器326、328、330和332串联电地耦合 的开关334、336、338和340。在一个示例中，开关333、334、336、338和340是M0SFET。开关334、 336、338和340中的一个或多个，在闭合时(例如，在接通状态），使能相应的电阻器的并联耦 合。因此，在IGBT 308的栅极端子处的由电阻器网络322(下文还称为电阻器网络322的等效 值)提供的电阻值是并联耦合的电阻器的并联等效值。通过示例，如果所有的开关334、336、 338和340闭合，则电阻器网络322的等效电阻(REQ)可以使用方程(1)来确定。
[0065] 其中，R326、R328、R33Q和R332分别表示电阻器326、328、330和332的电阻值。
[0066] 类似地，在另一个示例中，如果开关334和336闭合并且开关338和340打开，则电阻 器网络322的等效电阻(REQ)可以使用方程(2)来确定。
[0068] 继续参考图3,栅极驱动器电路312可以进一步包括控制单元342。在一个示例中， 控制单元342可以使用诸如现场可编程门阵列（FPGA)的控制器来实现。在另一个示例中， 控制单元342可以被实现为专用集成电路(ASIC)。在又一个示例中，控制单元342可以使用 微控制器或处理器来实现。在一个实施例中，控制单元342还可以包括诸如存储器(未示出） 的存储介质。
[0069] 此外，在一个实施例中，控制单元342可以从DC电压源302接收偏置电压。控制单元 342可以操作性地耦合至电阻器网络322和关断电阻器331。更具体地，控制单元342可以操 作性地耦合至开关334、336、338、340和333。其中开关包括M0SFET的情况下，控制单元342可 以操作性地耦合至MOSFET的栅极端子。控制单元342可以被配置为通过选择性地操作（例 如，闭合或打开)开关334、336、338和340来控制电阻器网络322,以使在IGBT 308被转变为 接通状态时，电阻器网络322可以在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中提供不 同的等效电阻值。
[0070] 在逆变器电路300的操作期间，为了选择性地操作开关334、336、338和340,控制单 元342被配置为确定延迟阶段、换向阶段或饱和阶段的发生(例如，开始）。在一个实施例中， 在IGBT 308的栅极端子处的栅极电压(Vg)开始升高时，控制单元342被配置为确定延迟阶 段已经起动。
[0071] 在本说明书的一个实施例中，在栅极驱动器电路312的开环控制模式的情况下，控 制单元342被配置为借助于查找表的使用来确定换向阶段和/或饱和阶段的发生。查找表可 以包括信息，该信息包括但不限于对应于各种功率开关的换向阶段和饱和阶段的典型开始 时间。更具体地，查找表可以包括换向阶段和饱和阶段的开始时间和IGBT308的对应型号 (下文也称为身份）。此外，对应于型号的延迟阶段、换向阶段或饱和阶段中的每个的电阻器 网络322的等效电阻的期望的值还可以被存储在查找表中。表1是可以由控制单元342使用 来选择性地操作开关334、336、338和340的示例查找表。
[0072] 表 1
[0074]在一个实施例中，在实现控制单元342用于操作之前，查找表可以被存储在与控制 单元342相关联的存储器中。而且，IGBT的型号也可以被存储在存储器中。
[0075]在逆变器电路300的操作期间，例如，在期望将IGBT 308转变到接通状态上时，控 制单元342可以被配置为基于IGBT 308的给定型号的查找表来确定电阻器网络322对应于 延迟阶段的等效电阻的期望的值。例如，如果IGBT 308的型号是#1，则控制单元342可以被 配置为基于诸如表1的查找表来确定电阻器网络322对应于延迟阶段的等效电阻的期望值 是1欧姆。
[0076] 此外，控制单元342可以被配置为选择性地操作开关334、336、338和340以将电阻 器网络322的等效电阻设置在期望的值。例如，在IGBT 308的延迟阶段中，控制单元342可以 被配置为在接通状态和断开状态之间选择性地切换开关334、336、338和340中的一个或多 个，以使电阻器网络322的等效电阻被设定在1欧姆。在一个示例中，在开关334、336、338和 340是MOSFET时，开关334、336、338和340可以通过在开关334、336、338和340的相应的栅极 端子处提供适当的电压来接通和/或断开。如将意识到的，η沟道M0SFET和p沟道M0SFET要求 要接通和断开的栅极电压的不同极性。一旦电阻器网络322的等效电阻被设定在对应于延 迟阶段的期望的值，则栅极电压(Vg)开始升高。下文中栅极电压(Vg)开始升高的时间被称 作时间Tu
[0077] 在本说明书的一个实施例中，控制单元342可以被配置为在开环控制模式下操作。 在开环控制模式中，换向阶段和/或饱和阶段的开始可以基于在时间T1之后过去的时间来 确定。通过示例，在开环控制模式中，控制单元342可以被配置为监测时间T1之后过去的时 间。控制单元342还可以被配置为在过去的时间超过存储在查找表中的换向阶段和饱和阶 段的对应的开始时间时确定换向阶段和饱和阶段的开始。
[0078] 在本说明书的另一个实施例中，控制单元342可以被配置为在闭环控制模式下操 作。在闭环控制模式下，IGBT 308的开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合 至栅极驱动器电路312。更具体地，开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合至 控制单元342。类似地，其它IGBT 304、306和310的开尔文发射极端子(未示出）和功率发射 极端子也可以耦合至与IGBT 304、306和310相关联的栅极驱动器电路中的相应的控制单 J L· 〇
[0079]此外，在闭环控制模式中，换向阶段和饱和阶段的开始可以基于IGBT 308的开尔 文发射极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe3)的值来确定。例如，在闭环控制模 式下，控制单元342可以被配置为监测开尔文发射极端子307和功率发射极端子309之间的 电压(V kpe)。如将意识到的，电压(Vkpe)可以指示IGBT 308的集电极至发射极电流（ICE)的导 数(dWdt)。此外，电压(Vkpe)可以表示寄生电感311两端的电压。此外，在一个实施例中，控 制单元342可以进一步被配置为将电压(V kpe)的值与第一阈值和第二阈值相比较以分别确 定换向阶段和饱和阶段的开始。第一阈值可以指示换向阶段的开始，并且第二阈值可以指 示饱和阶段的开始。在另一个实施例中，只可以使用一个阈值。例如，如果电压(V kpe3)的值超 过阈值，则控制单元342可以被配置为确定换向阶段已经开始。然而，如果电压(Vkpe)的值降 到阈值以下，则控制单元342可以被配置为确定饱和阶段已经开始。
[0080]在一些实施例中，在闭环控制模式下，IGBT 308的换向阶段和饱和阶段的开始可 以基于IGBT 308的栅极电压(Vg)的值来确定。在这样的实例中，IGBT 308的栅极端子可以 耦合至（未示出）控制单元342。在IGBT 308的栅极电压(Vg)的值分别超过第三阈值和第四 阈值时，控制单元342可以被配置为确定换向阶段和饱和阶段的开始。第三阈值可以指示换 向阶段的开始，并且第四阈值可以指示饱和阶段的开始。
[0081 ]此外，在某些实施例中，在闭环控制模式下，IGBT 308的换向阶段的开始可以基于 IGBT 308的集电极至发射极电压(VCE)的值来确定。在这样的实例中，IGBT 308的集电极端 子和/或功率发射极端子309可以耦合至（未示出）控制单元342。在IGBT 308的集电极至发 射极电压(VCE)的值开始减小时，控制单元342可以被配置为确定换向阶段的开始。
[0082]在本说明书的又一个实施例中，控制单元342可以被配置为在混合模式下操作。在 混合模式中，开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合至栅极驱动器电路312。 更具体地，开尔文发射极端子307和功率发射极端子309可以耦合至控制单元342。类似地， 其它IGBT 304、306和310的开尔文发射极端子和功率发射极端子也可以耦合至与IGBT 304、306和310相关联的栅极驱动器电路中的相应的控制单元。
[0083]在混合模式中，换向阶段和饱和阶段的开始可以基于开尔文发射极端子307和功 率发射极端子309之间的电压(Vkpe)的值和/或时间!^之后过去的时间来确定。在一个实施 例中，控制单元342可以被配置为监测时间1^之后过去的时间和开尔文发射极端子307和功 率发射极端子309之间的电压(V kpe)两者。此外，控制单元342还可以被配置为使用开环控制 模式和闭环控制模式中采用的方法来确定换向阶段和饱和阶段的开始。因此确定的特定阶 段(例如，换向阶段或饱和阶段)的两个开始时间中的更早的可以被识别为特定阶段的开始 时间。例如，如果基于电压(V kpe3)确定的换向阶段的开始时间比基于过去的时间确定的换 向阶段的开始时间晚，则控制单元342可以被配置为将基于电压(V kpe)确定的开始时间识别 为换向阶段的开始时间。
[0084] 此外，控制单元342还可以被配置为基于IGBT 308的型号来确定电阻器网络322对 应于换向阶段和饱和阶段的等效电阻的期望的值。例如，电阻器网络322在换向阶段和饱和 阶段中的等效电阻的期望的值分别是1.5欧姆和0.5欧姆。确定电阻器网络322对应于换向 阶段和饱和阶段中的每个的等效电阻的期望的值的细节会结合图9A和9B更详细地描述。
[0085] 此外，对于换向阶段和饱和阶段中的每个，控制单元342还可以被配置为选择性地 操作开关334、336、338和340以将电阻器网络322的等效电阻设定为期望的值。如前面提到 的，在一个实施例中，电阻器网络322的等效电阻的期望的值可以使用查找表来获取。在换 向阶段和饱和阶段中的每个中选择性地操作开关334、336、338和340的细节会结合图9A和 9B来更详细地描述。此外，如将意识到的，一旦开关334、336、338和340被选择性地操作以在 延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的任何一个中将电阻器网络322的等效电阻设定为期望 的值，则驱动强度(例如，栅电流)被供给至IGBT 308的栅极端子。驱动强度的值可以基于电 阻器网络322的等效电阻的瞬时值。
[0086] 在一个实施例中，在与换向阶段期间电阻器网络322的等效电阻相比较时，控制单 元342可以被配置为在延迟阶段期间将电阻器网络322的等效电阻设定为更低的值。因此， 栅极电压(Vg)可以更快达到IGBT 308的阈值电压。栅极电压(Vg)的这样的快速升高有助于 降低延迟阶段的持续时间（下文中也称为滞后时间）。而且，在与换向阶段期间电阻器网络 322的等效电阻相比较时，控制单元342可以被配置为在饱和阶段期间将电阻器网络322的 等效电阻设定为更低值。因此，在与IGBT 308的集电极至发射极电压(VCE)的转换速率相比 时，IGBT 308的集电极至发射极电压(VCE)的转换速率更高。在饱和阶段中集电极至发射极 电压(VCE)的转换速率的这个增加还有助于减小饱和阶段的持续时间。此外，在换向阶段中 的更高电阻值的使用有助于维持流过续流二极管316的电流的更低转换速率，由此减少续 流二极管316的应力。因此，在换向阶段期间，续流二极管316也被保护。
[0087] 图4是根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的另一个实施例的示意图。特别地， 图4的栅极驱动器电路400展现图3的栅极驱动器电路312的另一个实施例。因此，在一个实 施例中，栅极驱动器电路400可以被在图3的逆变器电路300中采用，取代栅极驱动器电路 312。结合图3的部件来描述图4。
[0088] 栅极驱动器电路400可以包括控制单元402。在一些实施例中，控制电路402的操作 可以基本上等于图3的控制电路342的操作。在将诸如IGBT 308的IGBT的转变为接通状态期 间，除了提供可变电阻之外，栅极驱动器电路400还可以被配置为在将IGBT 308转变为第二 状态期间提供可变电阻。在一个实施例中，第二状态是断开状态。
[0089] 栅极驱动器电路400可以包括具有第一端子440和第二端子442的电阻器网络404。 除了电阻器406、408、410和412以及开关414、416、418和420之外，电阻器网路404还可以包 括电阻器422、424、426和428以及对应的开关430、432、434和436。开关414、416、418和420与 电阻器406、408、410和412分别串联耦合。而且，开关430、432、434和436与电阻器422、424、 426和428分别串联耦合。开关414、416、418、420、430、432、434和436可以由控制单元402选 择性地操作。
[0090] 此外，如图4中描绘的，电阻器406、408、410、412、422、424、426和428的第一端可以 耦合在共同接点438处。在目前的预期配置中，共同接点438耦合至IGBT 308的栅极端子（图 4中未示出）。电阻器406、408、410和412的第二端分别经由开关414、416、418和420耦合至电 阻器网络404的第一端子440。电阻器网络404的第一端子440可以耦合至诸如DC电压源302 的DC电压源的正栅极电压源端子。此外，电阻器422、424、426和428的第二端分别经由开关 422、424、426和428耦合至电阻器网络404的第二端子442。电阻器网络404的第二端子442可 以耦合至DC电压源的负栅极电压源端子。
[0091] 在IGBT 308被转变为接通状态时，控制单元402可以被配置为打开开关430、432、 434和436。此外，控制单元402可以被配置为在IGBT 308被转变为接通状态时，选择性地操 作开关414、416、418和420以在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中提供不同的等效电阻值。 [0092]以类似的方式，在IGBT 308被转变为断开状态时，控制单元402可以被配置为打开 开关414、416、418和420。控制单元402还可以被配置为在IGBT 308正被转变为断开状态时， 选择性地操作开关430、432、434和436以在各个阶段期间提供不同的等效电阻值。
[0093]通过以这种方式实现栅极驱动器电路，除了在IGBT转变至接通状态期间提供可变 电阻之外，还可以在将IGBT转变为断开状态期间提供可变电阻。因此，IGBT的接通时间和断 开时间可以被减小以实现更快的IGBT的切换。
[0094]图5是示出根据本说明书的各方面的在IGBT 308被转变为接通状态时，对应于诸 如图3的IGBT模块348的功率开关模块的各种参数的时间响应的图解说明500。更具体地，在 控制单元342被配置为以开环控制模式操作时，如图5中描绘的时间响应可以被获取。为了 便于说明，图5中只描绘了对应于IGBT模块348的时间响应。其它IGBT模块344、346、350也可 以具有类似的时间响应。
[0095]图解说明500描绘了IGBT 308的栅极电压(Vg)502、集电极至发射极电流（ICE)504 和集电极至发射极电压(Vce)506的时间响应。图解说明500还描绘流过续流二极管316(In) 的电流的时间响应508。此外，在图解说明500中，X轴501表示以微秒为单位的时间，并且Y轴 503表示IGBT 308的栅极电压(Vg)、集电极至发射极电流（ICE)、集电极至发射极电压(VCE) 的值以及流过续流二极管316(In)的电流。IGBT 308的栅极电压(Vg)502的时间响应使用放 大的值来描绘。在一个示例中，IGBT308的栅极电压(V g)的值可以放大大约100倍。延迟阶 段、换向阶段和饱和阶段的持续时间分别由附图标记510、512和514表示。延迟阶段、换向阶 段和饱和阶段的开始时间由Td(例如，Ti)、Tc^PT s表示。此外，如先前指出的，时间Td、Tc^PTs 的值可被存储在查找表中。可以指出的是，与图1的IGBT108的延迟阶段和饱和阶段的持续 时间相比，IGBT 308的延迟阶段和饱和阶段的持续时间实质上更低。IGBT 308的延迟阶段 和饱和阶段的持续时间方面的这个减少是因为与图1的栅极电阻器122的固定值相比，电阻 网络322的等效电阻的适应性改变。
[0096]在本说明书的一些实施例中，在短路情况下，IGBT 308的集电极至发射极电流 (IcE)可以开始升高至更高值。例如，IGBT 308的集电极至发射极电流（ICE)可以升高直至 IGBT 308的短路电流限制的级别。在这样的实例中，如果电阻器网路322的等效电阻的改变 饱和阶段的开始时起动（如在如图5中描绘的），则IGBT 308的集电极至发射极电流（ICE)的 振荡可以被减少，由此在短路情况期间保护IGBT 308。
[0097]图6是示出根据本说明书的各方面的在IGBT 308被转变为接通状态时，对应于诸 如IGBT模块348的功率开关模块的各种参数的另一组时间响应的图解说明600。更具体地， 在控制单元342被配置为以闭环控制模式操作时，图6中描绘的时间响应可以被获取。如先 前指出的，在闭环控制模式中，控制单元342被配置为至少基于出现在开尔文发射极端子 307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)来确定换向阶段和饱和阶段的开始。为了便于 说明，图6中只描述了对应于IGBT模块348的时间响应。其它IGBT模块344、346、350也可以具 有类似的时间响应。
[0098]图解说明600描绘了IGBT 308的栅极电压（Vg)602、集电极至发射极电流（IcE) 604、集电极至发射极电压(VCE)606和电压(Vkpe)616的时间响应。图解说明600还描绘流过 续流二极管316 (In)的电流的时间响应608。此外，在图解说明600中，X轴601表示以微秒为 单位的时间，并且Y轴603表示IGBT 308的栅极电压(Vg)、集电极至发射极电流（ICE)、集电 极至发射极电压(VCE)的值、电压(Vkpe)以及流过续流二极管316(In)的电流。使用放大的 值来描述栅极电压(V g)602的时间响应和IGBT 308的电压(Vkpe)616的时间响应。在一个示 例中，IGBT 308的栅极电压(Vg)和电压(Vkpe)的值可以放大大约100倍。此外，延迟阶段、换 向阶段和饱和阶段的持续时间分别由附图标记610、612和614表示。
[0099]在一个实施例中，如图解说明600中描绘的，在电压(Vkpe)超过第一阈值时，换向 阶段的开始可以被触发。例如，第一阈值可以是2伏特。此外，在电压(Vkpe)超过第二阈值 时，饱和阶段的开始可以被触发。通过示例，第二阈值可以是零(〇)。电压(Vkpe)的零值可以 指示dI CE/dt为OV/ys时的值。在另一个实施例中，当在换向阶段已经被触发之后电压(Vkpe) 的值降到第一阈值以下时，饱和阶段可以被触发。
[0100] 可以指出的是，与图5的图解说明500中的饱和阶段的开始相比，图6的图解说明 600中的饱和阶段开始更早。因此，电阻器322的等效电阻还可以比栅极驱动器电路312的闭 环控制模式的情况更早调节。饱和阶段的这样的早的开始可以有助于进一步缩短饱和阶段 的持续时间，由此减少切换时间和切换损耗。
[0101] 图7是根据本说明书的方面的栅极驱动器电路的又一个实施例的示意图。特别地， 图7的栅极驱动器电路700展现图3的栅极驱动器电路312的另一个实施例。因此，在一个实 施例中，栅极驱动器电路700可以在图3的逆变器电路300中采用，取代栅极驱动器电路312。 结合图3的部件来描述图7。
[0102] 栅极驱动器电路700可以包括操作性地耦合至可变电流源704的控制单元702。可 变电流源704可以又耦合至IGBT 308的栅极端子。如将意识到的，可变电流源704的输出电 流可以构成IGBT 308的驱动强度。术语驱动强度和栅电流可以互换使用。可变电流源704可 以使用晶体管和/或运算放大器(Opamp)来实现。
[0103] 可以指出的是，控制单元702的操作可以基本等于图3的控制单元342的操作。例 如，控制单元702可以被配置为确定对应于可以以开环控制模式、闭环控制模式或混合模式 操作的栅极驱动器电路312的任何实现中的延迟阶段、换向阶段和/或饱和阶段的开始时 间。在图7的实施例中，一旦延迟阶段、换向阶段和/或饱和阶段中任何一个的开始被确定， 则控制单元702可以被配置为控制可变电流源704,以使在IGBT 308被转变为接通状态时， 在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中供给不同的驱动强度。更具体地，控制单 元702可以被配置为控制可变电流源704,以使将IGBT 308转变为接通状态的总时间被减 少。
[0104] 在一个实施例中，与在换向阶段中供给的栅电流相比，在延迟阶段和/或饱和阶段 中由可变电流源704供给至IGBT 308的栅极端子的驱动强度可以更高，由此减少延迟阶段 和饱和阶段的持续时间。延迟阶段和饱和阶段的持续时间中的这个减小可以又减少将IGBT 308转变至接通状态的总时间。此外，在换向阶段中供给更低栅电流的供应有助于维持流过 续流二极管316的电流的转换速率在低的值。流过续流二极管316的电流的转换速率的这个 低的值保护续流二极管316。
[0105] 图8描绘了说明根据本说明书的方面的用于驱动诸如图3的IGBT 308的功率开关 的示例方法的流程图800。结合图3的逆变器电路300的部件来描述流程图800。如先前指出 的，逆变器电路300可以包括IGBT模块342-350和栅极驱动器电路312。此外，IGBT模块包括 IGBT 304-310和续流二极管314-320。此外，栅极驱动器电路312可以包括电阻器网络322。 而且，控制单元342被配置为控制电阻器网络322。
[0106] 在步骤802,在诸如IGBT 308的功率开关被转变为第一状态时，延迟阶段、换向阶 段和饱和阶段的发生可以被确定。在一个实施例中，第一状态是接通状态。延迟阶段、换向 阶段和饱和阶段的发生由栅极驱动器电路312的控制单元342确定。在一个实施例中，延迟 阶段、换向阶段和饱和阶段的发生可以基于查找表来确定。在另一个实施例中，延迟阶段、 换向阶段和饱和阶段的发生可以基于出现在开尔文发射极端子307和功率发射极端子309 之间的电压(Vkpe)和查找表来确定。步骤802的进一步细节将在图9A和9B的流程图中描述。
[0107] 在步骤804,耦合至IGBT 308的电阻器网络，诸如电阻器网络322,可以被控制为以 使在当IGBT 308被转变为接通状态时的延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少两个中， 电阻器网络322可以提供不同的电阻值。在一个实施例中，电阻器网络322由控制单元342通 过选择性地操作开关334、336、338和340来控制。步骤804的进一步细节将在图9A和9B的流 程图中描述。
[0108] 图9A和9B描绘了根据本说明书的方面的图8的方法的具体流程图900。结合图3的 逆变器电路300的部件来描述流程图900。如先前提到的，在为操作而实现控制单元342之 前，控制单元342被配置为将查找表存储在，例如存储器中。而且，栅极驱动器单元312电地 耦合至的IGBT(在这个示例中，IGBT 308)的型号也被存储在与控制单元342相关联的存储 器中。备选地，控制单元342可以被配置为从控制单元342的外部的源获取期望的信息。
[0109] 如由步骤902指示的，在逆变器电路300的操作期间，可以确定用于将诸如IGBT 308的功率开关转变为第一状态的需要。在一个实施例中，第一状态是接通状态。在一个实 施例中，控制单元342可以被用于基于负载324两端的AC信号的期望的周期来确定用于将 IGBT 308转变为接通状态的需要。在另一个实施例中，控制单元342可以从另一个控制器 (未示出）接收命令信号，其中命令信号指示需要将IGBT 308转变为接通状态。
[0110] 如由步骤904指示的，如果确定期望将IGBT 308转变为接通状态，则控制单元342 可以被配置为确定对应于延迟阶段的电阻器网络322的等效电阻的期望的值。在一个实施 例中，控制单元342可以被配置为基于查找表来确定电阻器网络322的等效电阻的期望的 值。例如，如果IGBT 308的信号是#1，则控制单元342可以被配置为从查找表获取电阻器网 络322对应于延迟阶段的等效电阻的期望的值，如具有1欧姆的值。
[0111] 随后，在步骤906,控制单元342可以被配置为选择性地操作电阻器网络322中的开 关334、336、338和340,以使电阻器网络322的等效电阻被设定至1欧姆的期望的值。因此，在 延迟阶段中，1欧姆的电阻可以被提供至IGBT 308的栅极端子。一旦等效电阻的期望的值被 提供至IGBT 308的栅极端子，IGBT 308的栅极电压可以开始升高。栅极电压(Vg)开始升高 的时间被称为时间Ti。一旦栅极电压(Vg)开始升高，控制单元342可以被配置为确定延迟阶 段已经起动。下文中，延迟阶段、换向阶段和饱和阶段的开始时间分别被称为时间Td(例如， T10〇58)、Tc^PTs。在一个实施例中，在栅极驱动器电路312的开环控制模式的情况下，IGBT 308的给定型号的时间Tc^PTs被存储在查找表中。
[0112] 此外，在步骤908,控制单元342可以被配置为确定换向阶段的发生。在一个实施例 中，在栅极驱动器电路312的开环控制模式情况下，控制单元342可以被配置为监测时间T1 之后过去的时间。下文中，时间T1之后过去的时间被称为时间Ti。在另一个实施例中，在栅 极驱动器电路312的闭环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测出现在IGBT 308的开尔文发射极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)。在又一个实施例中， 在栅极驱动器电路312的混合模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测时间!^和出现 在开尔文发射极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)两者以确定换向阶段的 发生。
[0113] 此外，如由步骤910指示的，检查可以由控制单元342实施以确定换向阶段是否已 经起动。在一个实施例中，在开环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为将时间 与存储在查找表中的时间T c相比较。如果等于T。，则控制单元342可以确定换向阶段已经 开始。在另一个实施例中，在闭环控制模式情况下，控制单元342可以被配置为将电压 (Vkpe)的值与第一阈值(例如，2伏特)相比较。如果电压的值(Vkpe)超过第一阈值，则控制 单元342可以确定换向阶段已经开始。在另一个实施例中，在混合模式的情况下，控制单元 342可以被配置为将换向阶段的开始确定为是基于时间!^确定的换向阶段的开始和基于电 压(Vkpe)确定的换向阶段的开始中的更早的那个。
[0114]如由步骤912指示的，一旦换向阶段已经开始，则控制单元342可以被配置为确定 电阻器网络322对应于换向阶段的等效电阻的期望的值。在一个示例中，电阻器网络322对 应于换向阶段的等效电阻的期望的值可以从查找表获取。例如，如果IGBT 308的型号是#1， 则控制单元342可以被配置为确定换向阶段中电阻器网络322的等效电阻的期望的值，为 1.5欧姆。
[0115] 此外，在步骤914,控制单元342可以被配置为选择性地操作电阻器网络322中的开 关334、336、338和340。更具体地，控制单元342可以被配置为选择性地操作开关334、336、 338和340,以使电阻器网络322的等效电阻被设定至电阻器网络322的等效电阻的期望的 值。
[0116] 此外，在步骤916,控制单元342可以被配置为确定饱和阶段的发生。在一个实施例 中，在开环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测时间!^。在另一个实施例中， 在闭环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为监测出现在IGBT 308的开尔文发射 极端子307和功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)。在又一个实施例中，在混合模式的情 况下，控制单元342可以被配置为监测时间Ti和出现在IGBT 308的开尔文发射极端子307和 功率发射极端子309之间的电压(Vkpe)。
[0117] 随后，如由步骤918描绘的，检查可以由控制单元342实施以确定饱和阶段是否已 经起动。在一个实施例中，在开环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为将时间 与存储在查找表中的时间T s相比较。如果Ti等于Ts，则控制单元342可以确定饱和阶段已经 开始。在另一个实施例中，在闭环控制模式的情况下，控制单元342可以被配置为将电压 (Vkpe)的值与第二阈值(例如，0伏特)相比较。如果电压(Vkpe)的值超过第二阈值，则控制 单元342可以确定饱和阶段已经开始。在另一个实施例中，当在换向阶段已经发生之后电 压(Vkpe)的值降到第一阈值以下时，饱和阶段的开始可以被确定。在另一个实施例中，在混 合模式的情况下，控制单元342可以被配置为将饱和阶段的开始确定为基于时间确定的 饱和阶段的开始和基于电压(Vkpe)确定的饱和阶段的开始中更晚的那个。
[0118] 如由步骤920指示的，一旦饱和阶段开始，控制单元342可以被配置为确定电阻器 网络322对应于饱和阶段的等效电阻的期望的值。在一个示例中，电阻器网络322对应于饱 和阶段的等效电阻的期望的值可以从查找表获取。例如，如果IGBT 308的型号是#1，则控制 单元342可以被配置为确定饱和阶段中电阻器网络322的等效电阻的期望的值为0.5欧姆。
[0119] 此外，在步骤922,控制单元342可以被配置为选择性地操作电阻器网络322中的开 关334、336、338和340,以使电阻器网络322的等效电阻被设定至基于查找表确定的电阻器 网络322的等效电阻的期望的值。一旦电阻器网络322的等效电阻被设定至饱和阶段的期望 的值，则控制可以返回步骤902,并且步骤902-922可以如期望的被重复。
[0120] 此外，诸如可以由栅极驱动器电路中的控制器单元执行的那些前述的示例、演示 和方法步骤可以以适当代码的形式存储在非暂时性计算机可读媒体中。代码可以在基于处 理器的系统上执行，诸如通用或专用计算机。还应当指出。本说明书的不同的实现可以以不 同的顺序或基本同时(也就是并行)执行本文中描述的步骤中的一些或全部。此外，功能可 以用以多种编程语言实现，包括但不限于C++或Java。这样的代码可以被存储或适用于存储 在一个或多个有形的计算机可读媒体上，诸如存储在数据存储库芯片、本地或远程的硬盘、 光盘（即，CD或DVD)、存储器或可以由基于处理器的系统访问以执行存储的代码的其它媒体 上。注意，有形媒体可以包括纸张或者其上打印指令的另一个适合的介质。例如，指令可以 经由纸张或其它介质的光学扫描来用电子仪器收集，然后编译、解释或如果需要的话以合 适的方式另外处理，并且然后存储在数据存储库或存储器中。
[0121] 用于驱动功率开关的栅极驱动器电路的实施例和方法通过减少滞后时间和饱和 阶段的持续时间来促进功率开关的更快的切换。此外，栅极驱动器电路的使用促进功率开 关的切换损耗的减少。此外，续流二极管上的应力也被减少。
[0122] 将意识到，上面公开的变体和其它特征和功能，或者其备选方案可以组合以创造 许多其它不同的系统或应用。其中的各种未预料到的备选、修改、变化或改进随后可以由本 领域技术人员做出，并且还预期由随附权利要求书包含。
【主权项】
1. 一种用于驱动功率开关的栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括： 电阻器网络，所述电阻器网络耦合至所述功率开关，其中所述电阻器网络包括多个电 阻器；以及 控制单元，所述控制单元操作地耦合至所述电阻器网络并且配置为控制所述电阻器网 络，以使在所述功率开关被转变为第一状态时，所述电阻器网络在延迟阶段、换向阶段和饱 和阶段中的至少两个中提供不同的电阻值。2. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述第一状态是接通状态。3. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关被设置在逆变器电路中。4. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关包括绝缘栅双极晶体管、 反向导电绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体管 中的至少一个。5. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述电阻器网络耦合至所述功率开关 的栅极端子。6. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述电阻器网络进一步包括耦合至所 述多个电阻器的多个开关。7. 根据权利要求6所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元操作地耦合至所述多个 开关并且被配置为基于所述延迟阶段、所述换向阶段或所述饱和阶段的发生来选择性地将 所述多个开关中的一个或多个在接通状态和断开状态之间转变。8. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为控制所 述电阻器网络，以使在所述延迟阶段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值有 助于最小化所述延迟阶段或所述饱和阶段的持续时间。9. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为控制所 述电阻器网络，以使在所述延迟阶段或所述饱和阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值比 在所述换向阶段中由所述电阻器网络提供的电阻值更小。10. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关包括耦合在所述功率开 关的集电极端子和发射极端子之间的续流二极管。11. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为基于所 述功率开关的身份和与所述延迟阶段、所述换向阶段和所述饱和阶段的开始关联的对应时 间戳来检测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。12. 根据权利要求11所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为获取 对应于与所述延迟阶段、所述换向阶段和所述饱和阶段的开始相关联的时间戳的值，以及 从查找表获取对应于所述时间戳的电阻值。13. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为基于流 过所述功率开关的电流的导数来检测所述换向阶段和所述饱和阶段的发生。14. 根据权利要求13所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为监测 所述功率开关的开尔文端子和功率端子之间的电压，并且其中所述功率开关的所述开尔文 端子和所述功率端子之间的所述电压指示流过所述功率开关的电流的导数。15. 根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中所述控制单元进一步被配置为监测所 述功率开关的栅极电压和集电极至发射极电压中的至少一个以检测所述换向阶段和所述 饱和阶段的发生。16. -种用于驱动功率开关的栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路包括： 可变电流源，所述可变电流源耦合至所述功率开关并配置为将驱动强度供给至所述功 率开关；以及 控制单元，所述控制单元操作地耦合至所述可变电流源并配置为控制所述可变电流 源，以使在所述功率开关被转变为接通状态时，在延迟阶段、换向阶段和饱和阶段中的至少 两个中供给不同的驱动强度。17. 根据权利要求16所述的栅极驱动器电路，其中所述功率开关包括绝缘栅双极晶体 管、反向导电绝缘栅双极晶体管、双模式绝缘栅晶体管、以及金属氧化物半导体场效应晶体 管中的至少一个。18. 根据权利要求17所述的栅极驱动器电路，其中所述驱动强度包括供给至所述绝缘 栅双极晶体管、所述反向导电绝缘栅双极晶体管、所述双模式绝缘栅晶体管、以及所述金属 氧化物半导体场效应晶体管中的至少一个的相应的栅极端子的栅电流。
【文档编号】H03K17/567GK205725692SQ201521145512
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2015年11月17日
【发明人】T·A·策尔斯, A·J·马里库尔贝罗, M·加西亚克莱门特
【申请人】通用电气公司
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