[發明專利]用于SiC和IGBT功率器件控制去飽和或短路故障的柵極驅動控制系統

有效

• 申請號: 201680074325.1
• 申請日: 2016-10-20
• 公開（公告）號: CN108476019B
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 艾伯特·J·沙爾龐捷;艾倫·K·史密斯;尼泰什·薩特什;羅賓·韋伯
• 申請（專利權）人: 密克羅奇普技術公司
• 主分類號: H03K17/16
• 分類號: H03K17/16
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 曾賢偉;許靜

一種用于功率半導體器件的柵極驅動控制器包括：主控制單元(MCU)；以及一個或多個比較器，所述一個或多個比較器將所述功率半導體器件的所述輸出信號與由所述MCU生成的參考值進行比較。所述MCU響應于關斷觸發信號而生成用于所述功率半導體器件的第一中間驅動信號，并且當DSAT信號指示所述功率半導體器件正在經歷去飽和時生成不同于所述第一驅動信號的第二中間驅動信號。當所述一個或多個比較器的所述輸出信號指示所述功率半導體器件的所述輸出信號已經相對于所述參考值而改變時，所述MCU生成用于所述功率半導體的最終驅動信號。所述控制器還可以包括定時器，當所述一個或多個比較器不指示變化時，所述定時器使所述驅動信號以預定間隔改變。

本申請要求2015年10月21日提交的美國臨時申請序列號62/244,325以及來自2016年9月13日提交的美國臨時申請序列號62/393,859的優先權的權益，并且是2016年3月18日提交的美國專利申請序列號15/074,364的延續部分，這些申請的內容通過引用結合在此。

背景技術

基于硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和其他寬帶隙材料(WBG)(諸如金剛石、氮化鋁(AlN)和氮化硼(BN))的功率半導體器件、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)或FET(場效應晶體管)用于高功率逆變器、電機控制、電池控制系統等。SiC FET和GaN FET正成為高功率系統的流行選項。這些寬帶隙器件具有更高的切換速度并且比Si IGBT更高效。所提高的效率是更快的切換速度的結果。更快的切換降低了切換損耗，并且通過以更高頻率切換，可以使用比用于具有較低切換速度的器件更小的電感器和電容器。更低損耗和更小外部濾波器部件的組合使得SiC器件成為IGBT的有吸引力的替代品。

發明內容

在一個實施例中，一種用于功率半導體器件的柵極驅動控制器包括：主控制單元(MCU)；以及比較器，所述比較器將所述功率半導體器件的輸出信號與參考值進行比較。所述MCU響應于關斷觸發信號而生成所述參考值以及用于所述功率半導體器件的第一中間驅動信號。當去飽和(DSAT)信號指示所述功率半導體器件正在經歷去飽和時，所述MCU生成不同的參考值和不同的中間驅動信號。當所述比較器指示來自所述功率半導體器件的所述輸出信號小于所述參考值時，所述MCU生成用于所述功率半導體的最終驅動信號。

在另一個實施例中，一種柵極驅動控制器包括MCU，所述MCU：當觸發信號指示所述功率半導體器件將被關斷時生成用于所述功率半導體器件的第一驅動信號；在第一預定時間間隔上保持所述第一驅動信號；在所述第一預定時間間隔結束時提供不同于所述第一驅動信號的第二驅動信號；在第二預定時間上保持所述第二驅動信號；并且在所述第二預定時間間隔結束時提供不同于所述第一驅動信號和所述第二驅動信號的第三驅動信號。

在又另一個實施例中，所述MCU接收具有上升沿和下降沿的觸發脈沖。響應于檢測到所述觸發脈沖的所述上升沿，所述MCU生成第一參考值以及用于部分導通所述功率半導體器件的第一驅動信號。當所述比較器的所述輸出信號改變狀態時，所述MCU生成用于完全導通所述功率半導體器件的第二驅動信號。響應于所述觸發脈沖的所述下降沿，所述MCU生成第二參考值以及用于所述功率半導體器件的第三驅動信號以便部分關斷所述功率半導體器件。當所述比較器的所述輸出信號改變回其原始狀態時，所述MCU生成用于完全關斷所述功率半導體器件的第四驅動信號。

在又另一個實施例中，取決于正被控制器件的類型，所述MCU監測Vce或Vds以判定何時步進到多級關斷(MLTO)序列中的下一級電壓電平。所述MCU使用兩個比較器來判定過壓尖峰何時升高至第一預定電壓VCHK1以上以及何時降低至第二預定電壓VCHK2以下。這些電壓值隨著每個步驟而改變。當所述兩個比較器指示Vce/Vds處于電壓范圍內時，可以繼續進行關斷過程中的下一步驟。知道何時基于Vce/Vds的值而移動到下一級電壓電平允許對MLTO過程進行優化，并盡可能快地關閉電源設備以最小化任何可能的損壞。所述MCU還可以在每個步驟時監測定時器設置以便即使比較器未指示下一步驟到期也仍然在由定時器指示的時間時繼續進行下一步驟。

附圖說明