[發明專利]電阻器仿真和柵極升壓

有效

• 申請號: 201580061190.0
• 申請日: 2015-11-09
• 公開（公告）號: CN107112887B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: M·斯努克;R·J·林翰;R·萊爾
• 申請（專利權）人: 賴茵豪森機械制造公司
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H03K17/04;H03K17/042;H03K17/06;H03K17/082;H03K17/16;H02M1/00;H02M7/5387
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 歐陽帆

用于驅動功率開關的控制端子以驅動負載的功率開關驅動器，該功率開關驅動器具有負反饋電路以控制輸送到控制端子的電流，負反饋電路包括：?電流輸出電路，包括電流源和電流吸收器中的至少一個，該電流輸出電路用于提供所述控制端子的所述電流并且被配置為接收輸出電流控制信號以控制由電流輸出電路提供的電流的幅度；?端子電壓輸入電路，用于從所述控制端子接收電壓并且輸出所述電壓的指示；?放大器，耦合成放大端子電壓指示以生成放大器輸出；以及?參考電壓輸入電路，用于接收參考電壓，包括至少一個電阻器，該參考電壓輸入電路耦合到放大器的電荷供給輸入端，其中?功率開關驅動器被配置為生成依賴于放大器輸出的輸出電流控制信號，以及?功率開關驅動器被配置為響應于由端子電壓輸入電路接收的電壓的增大而減小由電流輸出電路提供的電流。

技術領域

本發明一般涉及功率轉換器、用于驅動功率開關的控制端子以驅動負載的功率開關驅動器、包括這種功率開關驅動器的功率轉換器以及用于控制到功率開關的控制端子的驅動信號以驅動負載的方法。

背景技術

諸如AC至DC轉換器或DC至AC逆變器的功率轉換器一般包括并聯和/或串聯連接的功率開關器件(諸如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT))的網絡。這種轉換器可以用于從低電壓芯片到計算機、機車和高電壓傳輸線路的應用。轉換器可以用于例如可以例如從海上風力裝置運載電力的類型的高電壓dc傳輸線路中的開關以及用于對于馬達等(例如機車馬達)的中等電壓(例如，大于1kV)開關。

以下描述一般涉及驅動一個或多個功率開關，功率開關進而被配置為用于驅動功率轉換器的負載。作為(一個或多個)功率開關，IGBT例如用來通過施加低電平電壓或電流來控制大電流，一些IGBT的額定值為例如1200V或1700V，和/或1200A。但是，本文所描述的原理和實施例一般可應用于(一個或多個)功率開關代替地是MOSFET(諸如碳化硅MOSFET(垂直或橫向))、HEMT(高電子遷移率晶體管)、JFET(結晶型場效應晶體管)或其它類型的情況。因此，一般可以參考任何這種器件來替代對IGBT或功率開關的任何提及。此外，我們將描述的技術不限于任何特定類型的器件結構，因此功率開關器件可以是例如垂直或橫向器件；它們可以在一系列技術中制造，一系列技術包括但不限于硅、碳化硅或氮化鎵。

不過，我們關心的功率半導體開關器件通常具有大于1A的電流承載能力，并且可以以大于100V的電壓操作，例如，能夠承載大于10A、50A或100A的電流和/或能夠承受大于500V或1kV的器件兩端的電壓差的器件。

典型的IGBT柵極驅動包括圖1中所示的元件。柵極驅動邏輯包括參考3V3或5V電源的數字邏輯電路，該數字邏輯電路接收指示何時將功率開關(例如，IGBT)接通和關斷的傳入信號(PWM)。柵極驅動邏輯創建分別指示何時向功率開關提供電流以及何時從功率開關移除電流的信號(SOURCE和SINK)。通常需要電平變換(translation)級以在較寬的電壓范圍(例如，-10V至+15V)上驅動功率開關。用于驅動IGBT的輸出級包括晶體管P溝道MOSFET和N溝道MOSFET(標記為PMOS和NMOS)或雙極型PNP晶體管和雙極型NPN晶體管，具有被選擇為匹配功率開關和/或負載的特性的接通電阻器(Ron)和關斷電阻器(Roff)。輸出級晶體管能夠處理高電流，以及因為數字邏輯和電平變換不能提供足夠的電流來直接接通和關斷輸出級晶體管所以輸出級晶體管通常需要驅動級。

IGBT可以設置在優選地包括該IGBT器件和反向并聯的換向二極管(即，續流二極管)的模塊中。IGBT模塊制造商一般公布用于最小損耗的優選的柵極電阻值。在IGBT接通的情況下，在IGBT開關損耗和二極管反向恢復損耗之間存在折衷。一般期望任何減少總體損耗的嘗試都確保二極管停留在其安全操作區域(SOA)內，這可以通過優選地不被交叉的最大功率耗散線表示在電壓對電流的曲線圖上。例如，如果轉換器輸出電路的開關速度太快，則二極管可能會損壞。IGBT制造商一般在假設電壓源驅動具有電阻(電阻性驅動)的情況下針對最小的總體損耗優化其產品。由于這個原因，期望任何驅動電路(驅動器)都是優選地具有在IGBT制造商的指定范圍內的輸出(柵極驅動)電阻的電阻性驅動。