用於電壓驅動式開關元件的驅動器的製作方法
2023-12-12 12:34:47 2
專利名稱：用於電壓驅動式開關元件的驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於驅動電壓驅動式開關元件的裝置和方法。
背景技術：
目前，存在用於電壓驅動式開關元件的已知驅動器。例如在日本公開專利申請No.2004-187463中，在切斷過程中，控制電壓驅動式開關元件的柵極電荷的放電率，以使電壓驅動式開關元件的集電極電壓隨時間的變化率成為規定常數，從而防止過量浪湧電壓的產生。
發明內容
在本發明提供的一種用於驅動電壓驅動式開關元件的裝置中，所述電壓驅動式開關元件包括集電極端子、發射極端子和柵極端子，所述裝置包括放電電路，其與所述電壓驅動式開關元件連接，並可用於在所述電壓驅動式開關元件的切斷操作過程中使儲存在所述柵極端子處的電荷以一放電率放電，在所述切斷操作中，所述電壓驅動式開關元件進行從導通到斷開的轉變；放電率控制電路，其可用於控制所述放電率，以使所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率在所述切斷操作過程中接近預定變化率；以及延遲電路，其可用於在開始所述切斷操作之後使所述放電率控制電路的操作延遲規定延遲時間。
根據本發明的另一種裝置包括開始裝置，其用於使所述電壓驅動式開關元件從導通狀態到斷開狀態的轉變開始；控制裝置，其用於在所述轉變過程中控制儲存在所述柵極端子處的電能的放電率，以使所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率接近預定變化率；以及延遲裝置，其用於在所述轉變開始之後使所述放電率的控制延遲規定延遲時間。
本發明還提供了用於驅動電壓驅動式開關元件的方法，該方法包括使所述電壓驅動式開關元件從導通狀態到斷開狀態的轉變開始；在所述轉變過程中使儲存在所述柵極端子處的電荷以一放電率放電；控制所述放電率，以使所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率在所述轉變過程中接近預定變化率；以及在所述轉變開始之後，使所述放電率的控制延遲規定延遲時間。
在此參照附圖進行說明，其中，在全部附圖中，相似的參考標號表示相似的部件，並且其中圖1為示出用於電壓驅動式開關元件的驅動器的電路圖，其中，示出IGBT作為典型電壓驅動式開關元件；圖2為示出圖1所示電路的作用原理的等效電路圖；圖3示出當改變輸入信號並切斷IGBT時在圖1所示電路中選擇點處的開關波形；以及圖4A和4B為將作為本發明應用實例的在圖1所示電路中切斷IGBT時的開關波形與以前公知的用於電壓驅動開關元件的驅動器做比較的曲線圖。
具體實施例方式
通常，當切斷例如IGBT(絕緣柵雙極電晶體)或功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)等電壓驅動式開關元件時，產生浪湧電壓，會在電壓驅動式開關元件的集電極端子和發射極端子之間施加下述電壓，所述電壓大小等於浪湧電壓和電源電壓(即與電壓驅動式開關元件的發射極端子連接的電源的電壓)之和。這就會產生這樣的問題即，如果暴露於超過電壓驅動式開關元件額定電壓的電壓，則電壓驅動式開關元件容易受到熱損傷。從而，必須控制電壓驅動式開關元件的集電極—發射極端子之間的電壓(以下簡稱為「集電極電壓」)，使該電壓不超過電壓驅動式開關元件的額定電壓。
切斷時的浪湧電壓通常隨著開關速度的增加(即當集電極電壓隨時間的變化率增加時)而增大。考慮到此性能特徵，上述日本公開專利申請No.2004-187463描述了一種用於電壓驅動式開關元件的驅動器，該驅動器具有用於使電壓驅動式開關元件的柵極電荷放電的電路，在該電路中，pnp電晶體通過柵極電阻器(「電阻器」俗稱為「電阻」)與電壓驅動式開關元件的柵極端子連接。此專利文獻還描述了這樣一種電路即，電壓驅動式開關元件的集電極端子和pnp電晶體的基極端子通過電容器和二極體連接。下拉電阻器連接在基準電位(地面等)及電容器和二極體之間的連接點之間。藉助於此電路，以控制柵極電流，從而控制柵極電荷的放電率，以避免過量浪湧電壓的產生，並且防止在切斷過程中集電極電壓超過額定電壓。然而，此電路存在某些問題。
首先，驅動器將電壓驅動式開關元件的開關速度控制在適合於有待由該開關元件處理的最高電源電壓的速度。有必要在電源電壓較高時保證電源電壓和浪湧電壓之和不超過電壓驅動式開關元件的額定電壓，但是在電源電壓較低時導致不必要較低的開關速度。其次，由於不管電源電壓如何，開關速度總是控制在恆速，所以產生不必要的開關損耗。
這些問題歸因於以下事實，即根據日本公開專利申請No.2004-187463中所述的驅動器，集電極電壓隨時間的變化率不對電源電壓做出響應。無法認識到電壓驅動式開關元件的可容許浪湧電壓通常作為施加於電壓驅動式開關元件的電源電壓的函數而變化。反而，不是通過響應實際的電源電壓，而是通過根據假定的最大電源電壓為集電極電壓固定較低的變化率，從而對於任何電源電壓，保護電壓驅動式開關元件，使之不受在切斷時產生的浪湧電壓的影響。
這樣，通過假定最大期望電源電壓並限制集電極電壓隨時間的變化率，從而防止超過電壓驅動式開關元件的額定電壓，在集電極電壓和額定電壓之間存在餘量。然而，考慮到不能夠增加集電極電壓隨時間的變化率，即切斷時的開關速度，仍然未利用此餘量，這樣即使當電源電壓較低時，也無法降低開關損耗。
相比之下，在此所述的用於電壓驅動式開關元件的驅動器在防止電壓驅動式開關元件的集電極電壓超過額定電壓的同時，降低開關損耗。
圖1為用於電壓驅動式開關元件的典型驅動器的電路圖，該驅動器具有用於驅動負載的電壓驅動式開關元件11和用於電壓驅動式開關元件11的柵極驅動器12。結合圖1的典型電路，示出絕緣柵雙極電晶體即IGBT Q1作為電壓驅動式開關元件11。然而，應該理解，柵極驅動器12在應用上並不局限於驅動IGBT，其它電壓驅動式開關元件11也可以和柵極驅動器12一起使用。
IGBT Q1的柵極端子G通過與柵極電阻器R2串聯的充電npn電晶體Q2與電源電壓Vcc連接，充電npn電晶體Q2控制IGBT Q1的柵極端子G處的柵極電荷的充電。IGBT Q1的柵極端子G還通過與柵極電阻器R3串聯的放電pnp電晶體Q3與基準電位Vee連接，放電pnp電晶體Q3控制IGBT Q1的柵極端子G的柵極電荷的放電。這裡，基準電位Vee等於IGBT Q1的發射極端子E處的電位，基準電位Vee是用於柵極驅動器12的基準電位。
充電npn電晶體Q2的基極端子通過基極電阻器R5與以推挽結構連接的p通道MOSFET Q4和n通道MOSFET Q5的漏極端子連接。放電pnp電晶體Q3的基極端子通過基極電阻器R1與p通道MOSFET Q4和n通道MOSFET Q5的漏極端子連接。p通道MOSFETQ4的源極端子與電源電壓Vcc連接，n通道MOSFET Q5的源極端子與基準電位Vee連接。
p通道MOSFET Q4和n通道MOSFET Q5的柵極端子與輸入信號Vin連接，以便當施加輸入信號Vin時，接通充電npn電晶體Q2，並切斷放電pnp電晶體Q3。
除了與負載連接以外，IGBT Q1的集電極端子C還通過串聯的電容器C2和二極體D1與pnp電晶體Q3的基極端子連接。另外，如在此更加詳細的說明，下拉電阻器R4可以連接在基準電位Vee及電容器C2和二極體D1之間的連接點之間。這樣，在切斷IGBT Q1的過程中，向pnp電晶體Q3的基極端子提供關於集電極端子C和發射極端子之間的電壓(以下稱為集電極電壓Vce)隨時間變化的反饋。
也就是說，連同用於儲存在IGBT Q1的柵極處的電荷的放電的pnp電晶體Q3、基極電阻器R1、用於控制放電率的IGBT Q1、以及柵極電阻器R3、電容器C2、二極體D1和下拉電阻器R4形成用於控制儲存在IGBT Q1的柵極端子G處的電荷的變化率的裝置。
根據前述內容，可以理解，放電電路由用於在切斷IGBT Q1的過程中使儲存在IGBT Q1的柵極端子G處的柵極電荷放電的放電pnp電晶體Q3和柵極電阻器R3形成。此外，放電電路用於使IGBTQ1的柵極端子G處的柵極電荷以由放電pnp電晶體Q3的操作狀態控制的放電率放電。根據前述內容，還可以理解，為了控制放電pnp電晶體Q3的操作狀態，由基極電阻器R1、二極體D1、電容器C2和下拉電阻器R4形成放電率控制電路。放電率控制電路控制放電pnp電晶體Q3的操作，從而控制儲存在IGBT Q1的柵極端子G處的電荷的放電率。此外，儲存在IGBT Q1的柵極端子G處的電荷的放電率是電容器C2的電容值和柵極電阻器R3的電阻值二者的函數，以使IGBT Q1的集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt在IGBT Q1的切斷過程中成為規定變化率。
下拉電阻器R4連接在柵極驅動器12的基準電位Vee及電容器C2和二極體D1之間的連接點之間。此外，二極體D1使其陽極與電容器C2側連接，並使其陰極與pnp電晶體Q3的基極端子側連接，以便限制從放電pnp電晶體Q3的基極端子流到電容器C2的電流，並且防止放電pnp電晶體Q3向放電pnp電晶體Q3的基極端子施加反向電壓。從而，當例如放電pnp電晶體Q3的額定電壓足夠高時，可以省略二極體D1和下拉電阻器R4。
為了在開始切斷電壓驅動式開關元件之後，使放電率控制電路的操作延遲規定延遲時間，將延遲電路與放電率控制電路連接。即電容器C1與放電率控制電路的基極電阻器R1並聯，從而提供將放電率控制電路的操作延遲規定延遲時間的延遲裝置，以使IGBT Q1的集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt直到規定延遲時間終止之後才變為規定變化率。電容器C1具有比電容器C2的電容值更大的電容值，並且規定延遲時間是電容器C1的電容值的函數。規定延遲時間在開始切斷電壓驅動式開關元件時開始，在集電極電壓達到規定電壓時終止，該終止時間與放電pnp電晶體Q3的基極端子處的電荷達到用於操作放電pnp電晶體Q3的閾值的時間對應。
換言之，藉助於與基極電阻器R1並聯而形成延遲電路的電容器C1，在延遲時間內控制IGBT Q1的柵極電荷的放電率。這樣，在開始切斷操作之後，緊隨開始切斷IGBT Q1之後，建立具有較陡梯度的集電極電壓Vce隨時間的較高變化率dV/dt(較高開關速度)。然而，一旦經過由電容器C1的電容值確定的規定延遲時間之後，IGBTQ1的集電極電壓Vce達到規定電壓，則建立具有較緩和梯度的規定變化率(較低開關速度)。
在圖1中，IGBT Q1的柵極電壓Vge、放電pnp電晶體Q3的基極電壓Vb及p通道MOSFET Q4和n通道MOSFET Q5的漏極電壓V1均是相對於基準電位Vee的電位。
現轉向圖3，給出關於柵極驅動器12對於作為電壓驅動式開關元件11的實例的IGBT Q1的操作的說明。圖3示出了改變輸入信號Vin並切斷與電動機或其它電感負載連接的IGBT Q1時圖1所示電路中不同部分的開關波形。
如圖中所示，在時間t1，輸入信號Vin從高電平變到低電平，從而切斷p通道MOSFET Q4並導通n通道MOSFET Q5。
當接通n通道MOSFET Q5時，呈推挽結構的p通道MOSFET Q4和n通道MOSFET Q5的漏極電壓V1從高變為低。從而，充電npn電晶體Q2從導通轉變為斷開，並且同時用於使柵極電荷放電的pnp電晶體Q3的基極電位Vb從高變到低，從而使放電pnp電晶體Q3的狀態從斷開轉變為導通。這樣，改變了施加於IGBT Q1的柵極端子的柵極輸入信號(柵極電流)，開始使IGBT Q1的柵極電荷放電。
IGBT Q1的柵極電荷的放電率取決於IGBT Q1的柵極電阻器R3的操作狀態和pnp電晶體Q3的操作狀態。從而，電容器C1可以用於控制放電pnp電晶體Q3的基極端子處的電流和放電pnp電晶體Q3的基極電位Vb的大小。
在時間t1，輸入信號Vin從高電平到低電平的變化表明IGBT Q1的切斷操作的開始，並且IGBT Q1的柵極電荷開始放電。如圖3所示，隨著IGBT Q1的柵極電壓Vge下降，根據集電極電壓Vce隨時間的正變化率dV/dt，IGBT Q1的集電極電壓Vce上升。
在集電極電壓Vce的最初上升過程中，電流ia(如圖1所示)從IGBT Q1的集電極端子C流到電容器C2中。電流ia經過二極體D1流到pnp電晶體Q3的基極電阻器R1並流到電容器C1。從而，如圖3所示，pnp電晶體Q3的基極電位Vb開始上升。
隨著基極電位Vb上升，抑制了pnp電晶體Q3的基極電流，從而限制了IGBT Q1的柵極放電量。因此，從柵極電荷的放電開始時間t1到越過IGBT Q1的閾值電壓(Vth)，即集電極電壓Vce的峰值時的時間t3的期間內，由電流ia的大小控制集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt。
現參見圖2，說明從IGBT Q1的切斷操作開始時間t1到達到IGBT Q1的集電極電壓Vce的峰值的時間t3的期間集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt的控制。
這裡，在從時間t1到時間t3的期間內從IGBT Q1的集電極端子C流出的電流等於電流i0(t)。在此操作中，集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt以第一隨時間變化率K1和較低的第二隨時間變化率K2按照如圖3所示的兩個步驟而改變。由以下討論可以更好地理解，第一隨時間變化率K1出現在延遲時間內，該延遲時間由延遲電路，即與基極電阻器R1並聯的電容器C1的操作提供。在延遲時間之後，集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt變為規定較低的第二變化率K2，第二變化率K2由放電率控制電路的變化率控制裝置，即電容器C2和基極電阻器R1，以及放電電路，即柵極電阻器R3和放電pnp電晶體Q3，的操作提供。
現回到圖2，流經基極電阻器R1的電流是i1(t)，流到電容器C1的電流是i2(t)，輸入電壓是E(t)。輸入電壓E(t)是IGBT Q1的集電極—發射極電壓(即集電極電壓)Vce，其隨時間的變化率dV/dt是常數α，因此該輸入電壓可以表示為根據E(t)＝α*t的時間t的線性函數。假定電容器C2的兩個端子之間的電壓具有時間函數V1(t)，並且基極電阻器R1的兩個端子之間的電壓具有時間函數V2(t)，則得到下列等效公式V1(t)+V2(t)＝E(t)＝α*t公式(1)假定儲存在電容器C2中的電荷量是Q1(t)，則公式(1)可以改為下式Q1(t)/C2+R1*i1(t)＝α*t公式(2)然後，通過對公式(2)的兩側求微分，得到以下公式(3)(1/C2)*d/dt(Q1(t))+R1*d/dt(i1(t))＝α公式(3)這裡，利用公式(3)、(4)、(5)和(6)，可以確定在任何時間t(即IGBT Q1的柵極電荷的放電開始時間t1直到達到IGBTQ1的集電極電壓Vce的峰值時的時間t3)的電流i1(t)。更具體來說，得到以下公式(7)。
i0(t)＝i1(t)+i2(t) 公式(4)i0(t)＝d/dt(Q1(t)) 公式(5)i2(t)＝C1*d/dt(V2(t)) 公式(6){R1+(R1*C1)/C2}*d/dt(i1(t))+(1/C2)*i1(t)＝α公式(7)如果求解公式(7)的微分方程，則得到以下公式(8)i1(t)＝C2*α*[1-exp{(-t)/(R1*(C1+C2))}] 公式(8)因此，電阻器R1的兩個端子之間的電壓V2(t)由以下公式(9)給出V2(t)＝R1*i1(t)＝R1*C2*α*[1-exp{(-t)/(R1*(C1+C2))}] 公式(9)當將公式(9)應用於圖1所示的電路時，可以看出，在時間t中(t1≤t≤t3)，最終達到的電阻器R1的兩個端子之間的電壓V2(t)，即pnp電晶體Q3的基極電位Vb由電容器C2的值、電阻器R1的電阻和IGBT Q1的集電極電壓Vce隨時間的變化率α(-dV/dt)確定。
與電阻器R1並聯的電容器C1與pnp電晶體Q3的基極電位Vb的最終值的確定無關。這是由於可以從公式(9)看出，電容器C1僅與時間常數{R1*(C1+C2)}有關，因而與何時達到電阻器R1的兩個端子之間的電壓V2(t)，即pnp電晶體Q3的最終基極電位Vb的確定有關。這樣電容器C1與最終基極電位Vb的大小無關。
這裡，通過將具有比電容器C2的電容值更大的電容值的電容器C1與電阻器R1並聯，以使{電容器C1的電容值}＞＞{電容C2的電容值}的關係成立，電流ia從開始切斷IGBT Q1時的時間t1到電容器C1完全充電時的時間t2幾乎全部流到電容器C1。
在到達時間t2，電容器C1完全充電之後，電阻器R1成為主導因素。如圖3中在時間t2所示，電阻器R1的兩個端子之間的電壓，即放電pnp電晶體Q3的基極電位Vb開始顯著上升。
然而，來自IGBT Q1用以確定IGBT Q1的柵極電荷的放電率的柵極放電電流ig可以表示為下式ig＝(Vge-Vb-Vbe)/R3 公式(10)如上說明，Vge是IGBT Q1的柵極電壓，Vb是放電pnp電晶體Q3的基極電壓，Vbe是放電pnp電晶體Q3的基極-發射極電壓。當放電pnp電晶體Q3的基極電位Vb上升並達到pnp電晶體Q3的閾值電壓(即電晶體從導通轉換為斷開的電壓)附近的規定電壓水平時，來自IGBT Q1的柵極放電電流ig急劇減小，並且IGBT Q1的柵極電荷的放電率緩和並變為較低放電率。
根據公式(9)和(10)，在向電容器C1的放電是主導因素的期間內，即從恰好在IGBT Q1的切斷操作開始之後的時間t1到電容器C1完成充電，並且放電pnp電晶體Q3的基極電位Vb達到放電pnp電晶體Q3的操作閾值電壓附近的規定電壓水平時的時間t2的期間內，用於通過電容器C2調整柵極放電電流ig的反饋控制幾乎不起作用。如圖3所示，集電極電壓Vce隨時間的變化率α成為較高的正變化率K1。另一方面，在電流ia流入到電阻器R1成為主導因素的期間內，即在放電pnp電晶體Q3的基極電位Vb達到規定操作閾值電壓附近的規定電壓水平時的時間t2之後，用於通過電容器C2調整柵極放電電流ig的反饋控制開始執行其變化率控制的功能，並且同樣如圖3所示，集電極電壓Vce隨時間的變化率α迅速變為較低的正變化率K2。
這樣，通過將電容器C1與放電pnp電晶體Q3的電阻器R1並聯，在從時間t1到時間t3的整個期間，在pnp電晶體Q3的基極電壓Vb變為規定操作閾值電壓附近的規定電壓水平時的時間t2的前後，集電極電壓Vce隨時間的變化率α取不同值，而不是保持為常數。
這樣，從在時間t1開始切斷操作，直到pnp電晶體Q3的基極電壓Vb在時間t2達到規定操作閾值電壓附近的規定電壓水平，與放電pnp電晶體Q3的電阻器R1並聯的電容器C1作為用於延遲開始執行放電率控制電路的功能的時間的延遲電路。
如上說明，在從時間t1到時間t3的期間內，集電極電壓Vce隨時間的變化率α並不總是處於常數。反而，根據用於執行調整柵極放電電流ig的反饋控制的放電率控制電路是否起作用，在pnp電晶體Q3的基極電壓Vb達到規定操作閾值電壓附近的規定電壓水平時的時間t2的前後，集電極電壓Vce隨時間的變化率α具有不同值。從而，在pnp電晶體Q3的基極電壓Vb接近規定操作閾值電壓時的時間t2前後，公式(9)的集電極電壓Vce隨時間的變化率α大致可以用不同的定值K1和K2表示，並且在時間t(t1≤t≤t3)的pnp電晶體Q3的基極電壓Vb大致可以用以下公式(11)和(12)表示。
更具體來說，當t1≤t＜t2時，Vb(t)＝R1*i1(t)＝R1*C2*K1*[1-exp{(-t)/(R1*(C1+C2))}]公式(11)當t2≤t≤t3時，有Vb(t)＝R1*i1(t)＝R1*C2*K2*[1-exp{(-t)/(R1*(C1+C2))}]公式(12)從公式(10)、(11)和(12)可以看出，在用於使柵極電荷放電的開始時間t1之後，隨著時間的流逝，根據放電率控制電路是否起作用，柵極放電電流ig以兩階段方式變化。即，當集電極電壓Vce較低時，IGBT Q1的柵極電荷的放電率增加，並且集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt的梯度較陡。另一方面，當集電極電壓Vce增加時，IGBT Q1的柵極電荷的放電率變為較低水平，以使集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt獲得較緩和的梯度。這樣，實現兩階段變化。
從而，通過選擇電容器C1的電容，以使集電極電壓隨時間的變化率從K1變到K2時浪湧電壓和集電極電壓Vce之和不會超過額定電壓，這樣可以防止超過額定電壓，同時允許在集電極電壓Vce較低時有較高的集電極電壓隨時間的變化率。
此外，延遲電路可操作以延遲開始操作放電率控制電路的開始時間，所延遲的時間作為電容器C1的電容值的函數。這樣，延遲時間在IGBT Q1的切斷操作開始的時間t1開始，並在放電pnp電晶體Q3的基極電壓Vb達到其閾值電壓時的時間t2終止。也可以如下進行說明由於在從時間t1到時間t2的期間內集電極電壓的變化率K1是由電阻器R3確定的恆定變化率，所以在從IGBT Q1的柵極電荷開始放電時間t1到IGBT Q1的集電極電壓Vce達到規定電壓水平時的時間t2的期間內，執行延遲操作。
圖4A示出了結合圖1說明的應用實例中的IGBT在切斷時的波形，圖4B示出了日本公開專利申請No.2004-187463中所述的常規電路中的IGBT在切斷時的波形。參照圖4A，將說明用於電壓驅動式開關元件11、具有與電阻器R1並聯的電容器C1的驅動器12的效果，作為用於延遲開始操作放電率控制電路的延遲電路的實例，該放電率控制電路用於將集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt控制在規定的較低變化率。
更具體來說，圖4A示出了在圖1所示的IGBT Q1的切斷操作過程中集電極電流Ic1和集電極電壓Vce1的波形。實線與電源電壓Vcc具有較高電壓值Vdc1的情況對應，虛線與電源電壓Vcc具有較低電壓值Vdc2的情況對應(Vdc1＞Vdc2)。
另一方面，圖4B示出了日本公開專利申請No.2004-187463中所述的IGBT在切斷過程中所經歷的相同波形。類似地，實線和虛線分別示出當電源電壓Vcc是較高電壓值Vdc1和較低電壓值Vdc2(Vdc1＞Vdc2)時的集電極電流Ic2和集電極-發射極電壓Vce2。
從圖4A和圖4B中的開關波形可以看出，當電源電壓Vcc等於較高電壓值Vdc1時，在電壓驅動式開關元件的額定電壓(BV)以下的兩個集電極-發射極電壓Vce1和Vce2的峰值電壓被切斷，從而可以防止IGBT Q1的集電極-發射極電壓超過額定電壓。
然而，如圖4A所示，在對應於在此所述的柵極驅動器12的波形中，可以通過一開始以較高的隨時間變化率dV/dt改變IGBT Q1的集電極電壓Vce，來降低電源電壓Vcc等於較低電壓值Vdc2時的開關損耗。這對於圖4B所示的常規電路結構來說是不可能的，這是由於下述緣故即使電源電壓Vcc等於較低電壓Vdc2時，仍然採用恆定的較低的隨時間變化率dV/dt，以適應向IGBT的集電極端子施加較高的電源電壓值Vdc1的情況。相比之下，如結合圖1所示電路的說明，延遲電路允許在轉換為較低變化率之前較高的集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt存在規定延遲時間，這樣可以以兩階段方式控制隨時間的變化率dV/dt。
如圖4A中用虛線所示，當電源電壓Vcc等於較低電壓Vdc2時，利用延遲電路可以以較高的開關速度執行切斷操作。
這樣，當電源電壓具有較低電壓值Vdc2時，即使當集電極電壓Vce隨時間的變化率dV/dt增加(即，即使當開關速度較高)時，向電壓驅動式開關元件11的集電極端子施加的電源電壓和浪湧電壓之和也不會超過額定電壓BV。從而，如圖4A所示，可以在IGBT Q1的切斷過程中以較高速度進行轉換，從而可以降低切斷過程中的開關損耗。
可以進一步說明以上情況，使用電壓驅動式開關元件11的柵極驅動器12，通過在開始切斷操作之後以規定延遲時間延遲集電極電壓隨時間的變化率dV/dt的控制，可以利用與電壓驅動式開關元件的集電極電壓Vce的大小對應的變化率，而不是利用與最大期望集電極電壓Vce對應的預定變化率。
因此，電路12是這樣的即，使得在緊隨開始切斷操作的期間內，電壓驅動式開關元件11的柵極電荷以較高放電率放電。隨後，在經過規定延遲時間之後，柵極放電率變為規定的較低放電率。因此，在電源電壓較低的情況下，通過使柵極端子以最初較高的放電率放電，電源電壓和浪湧電壓之和不會使集電極電壓Vce超過電壓驅動式開關元件的額定電壓，這樣可以增加切斷時的開關速度，從而降低開關損耗。
此外，即使當集電極電壓Vce較高時，也可以校準開始切斷操作之後的規定延遲時間，以使其恰好在切斷電壓驅動式開關元件11時產生浪湧電壓之前終止。在此時，可以將柵極放電率改變為規定的較低放電率，從而可以防止電壓驅動式開關元件的集電極電壓Vce超過額定電壓。同時，降低了開關損耗。
本申請要求2005年11月18日提交的日本專利申請No.2005-333638的優先權，其內容在此通過引用的方式併入本文。
此外，說明上述實施例是為了使本發明容易理解，而不是限制本發明。相反，本發明意在涵蓋包括在由所附權利要求書限定的保護範圍內的各種變型和等效結構，該保護範圍符合最寬泛的解釋，以便包含法律所允許的所有這種變型和等效結構。
權利要求
1.一種用於驅動電壓驅動式開關元件的裝置，所述電壓驅動式開關元件包括集電極端子、發射極端子和柵極端子，所述裝置包括放電電路，其與所述電壓驅動式開關元件連接，並可用於在所述電壓驅動式開關元件的切斷操作過程中使儲存在所述柵極端子處的電荷以一放電率放電，在所述切斷操作中，所述電壓驅動式開關元件進行從導通到斷開的轉變；放電率控制電路，其可用於控制所述放電率，以使所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率在所述切斷操作過程中接近預定變化率；以及延遲電路，其可用於在開始所述切斷操作之後使所述放電率控制電路的操作延遲規定延遲時間。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述規定延遲時間是從開始所述切斷操作延續到所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓達到規定電壓時的時間。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述放電電路包括pnp電晶體和柵極電阻器，所述pnp電晶體的pnp發射極端子通過所述柵極電阻器與所述柵極端子連接，並且所述pnp電晶體的pnp集電極端子與基準電位連接。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述放電率控制電路包括基極電阻器和第一電容器，所述基極電阻器連接在所述基準電位和所述pnp電晶體的pnp基極端子之間，並且所述第一電容器連接在所述pnp基極端子和所述集電極端子之間。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述延遲電路包括第二電容器，所述第二電容器連接在所述基準電位和所述pnp基極端子之間，所述規定延遲時間是所述第二電容器的電容值的函數。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述第二電容器與所述基極電阻器並聯。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中，所述第二電容器的電容值大於所述第一電容器的電容值。
8.根據權利要求5所述的裝置，其中，所述第二電容器的電容值大於所述第一電容器的電容值。
9.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述規定延遲時間是從開始所述切斷操作延續到所述pnp電晶體的基極電壓接近用於操作所述pnp電晶體的閾值電壓時的時間。
10.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述放電率控制電路包括與所述第一電容器串聯的二極體，所述二極體的陽極與所述第一電容器連接，所述二極體的陰極與所述pnp基極端子連接，並且，所述放電率控制電路包括下拉電阻器，所述下拉電阻器連接在所述二極體和所述第一電容器之間的連接點與所述基準電位之間。
11.一種用於驅動電壓驅動式開關元件的裝置，所述電壓驅動式開關元件包括柵極端子、集電極端子和發射極端子，所述裝置包括開始裝置，其用於使所述電壓驅動式開關元件從導通狀態到斷開狀態的轉變開始；控制裝置，其用於在所述轉變過程中控制儲存在所述柵極端子處的電能的放電率，以使所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率接近預定變化率；以及延遲控制裝置，其用於在所述轉變開始之後使所述放電率的控制延遲規定延遲時間。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述規定延遲時間是從開始所述轉變到所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓達到規定電壓時的期間。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述開始裝置包括推挽電路。
14.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述控制裝置包括pnp電晶體，其具有pnp基極端子、通過柵極電阻器與所述柵極端子連接的pnp發射極端子和與基準電位連接的pnp集電極端子；基極電阻器，其連接在所述pnp基極端子和所述基準電位之間；以及第一電容器，其連接在所述pnp基極端子和所述集電極端子之間。
15.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述規定延遲時間是從開始所述轉變到所述pnp基極電壓變為用於開始操作所述pnp電晶體的閾值電壓水平時的期間。
16.根據權利要求14所述的裝置，其中，所述延遲控制裝置包括與所述基極電阻器並聯的第二電容器，所述第二電容器的電容值大於所述第一電容器的電容值。
17.根據權利要求16所述的裝置，其中，所述控制裝置還包括與所述第一電容器串聯的二極體，所述二極體的陽極與所述第一電容器連接，所述二極體的陰極與所述pnp基極端子連接；以及下拉電阻器，其連接在所述二極體和所述第一電容器之間的連接點與所述基準電位之間。
18.一種用於驅動電壓驅動式開關元件的方法，所述電壓驅動式開關元件包括柵極端子、集電極端子和發射極端子，所述方法包括使所述電壓驅動式開關元件從導通狀態到斷開狀態的轉變開始；在所述轉變過程中使儲存在所述柵極端子處的電荷以一放電率放電；控制所述放電率，以使所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率在所述轉變過程中接近預定變化率；以及在所述轉變開始之後使所述放電率的控制延遲規定延遲時間。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，使所述放電率的控制延遲的步驟包括在所述轉變開始時開始所述延遲；以及在所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓達到規定電壓時終止所述延遲。
20.根據權利要求18所述的方法，其中，pnp電晶體的pnp發射極端子與所述柵極端子連接，並且所述pnp電晶體的pnp集電極端子與基準電位連接；並且，使所述放電率的控制延遲的步驟包括在所述轉變開始時開始所述延遲；以及在所述pnp電晶體的基極電壓接近用於操作所述pnp電晶體的閾值電壓時終止所述延遲。
全文摘要
本發明公開一種用於電壓驅動式開關元件的驅動裝置和一種用於驅動電壓驅動式開關元件的方法，所述裝置和所述方法使儲存在所述電壓驅動式開關元件的柵極端子處的電荷以一放電率放電。控制所述放電率，以使所述電壓驅動式開關元件的所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率接近預定變化率。在開始所述切斷操作之後，使得用以獲得預定變化率的所述集電極端子和所述發射極端子之間的電壓隨時間的變化率的控制延遲預定延遲時間。
文檔編號H03K17/687GK1968017SQ20061014550
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月17日 優先權日2005年11月18日
發明者東和幸, 佐藤義則 申請人:日產自動車株式會社