有源柵極驅動電路的製作方法

2023-09-23 02:53:55

專利名稱：有源柵極驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及柵極驅動器，具體地涉及利用電流和電壓斜率的閉合控制迴路的柵極驅動器。
背景技術：
絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)模塊被廣泛用於感應(硬)開關電壓源電力電子轉換器，例如驅動器、開關式電源或固態變壓器。下述需求是IGBT的柵極驅動的挑戰性任務:最小化IGBT的開關損耗，使電流條件和電壓條件保持在安全工作區(S0A)，例如限制關斷過電壓和在導通期間的峰值反向恢復電流，以及限制電磁幹擾(EMI)。設置導通下的集電極電流斜率dic/dt使得能夠限制峰值反向恢復電流，並且關斷期間的dic/dt限定了由於跨總換向迴路電感L。的電壓降而產生的過電壓。為了提供電磁兼容(EMC)，根據具體情況，dic/dt和集電極-發射極電壓斜率dvCE/dt必須被限制為指定值。分別針對導通和關斷的獨立的電流斜率和電壓斜率控制使得柵極驅動能夠在保持在SOA且提供EMC的同時以最小的開關損耗在所有操作點最佳地開關IGBT。另外，如果直接串聯或並聯連接IGBT模塊，對dveE/dt或die/dt的控制使得能夠進行對稱的電壓或電流的共享。調節IGBT的開關速度的簡單且常見的方式是將附加的無源元件插入到電路中。附加的柵極電阻Re使柵極電流減小，並且因此也使電流斜率和電壓斜率二者減小，額外的密勒電容Cee使(Ivra/dt降低,添加的柵極-發射極電容Cee使di。/dt減慢。該方法通常由於多於所需的柵極電荷量而導致過度的開關損耗或者導致增加的延遲以及柵極驅動損耗。為避免附加的柵極驅動損耗，可以使用前饋柵極電壓形狀生成器[I]來調節di。/dt。但是，在該方法中電壓斜率的可控性較小。在開關瞬變期間影響柵極電流的進一步的可能性是例如可切換或可調節的柵極電阻器、電流源/宿(sink)或柵極電壓。因為這種具有可調節的輸出級的柵極驅動器的實現必須確保在SOA內的操作，例如針對所有操作條件(變化的Tj, ic, vCE)受限的dic/dt和dvra/dt，所以對於大多數操作點，不能實現期望的最佳電流斜率和電壓斜率，從而導致增加的開關損耗。另外，半導體的系統狀態，例如從電流瞬變至電壓瞬變的轉變以及相反的轉變，必須在附加的複雜電路中被最精確地檢測出，從而能夠獨立地調節die/dt和dveE/dt。缺少對IGBT的非線性和對操作點的依賴性的補償是所有這些開環控制拓撲結構的進一步以及主要的缺點。IGBT的跨導gm實際上隨著柵極電壓&而變化，並且結溫Tj以及電容值Cfc和Cec兩者取決於施加的電壓，特別是密勒電容。因此通過開環方法，不能獲得準確限定且恆定的電流斜率和電壓斜率。因此，應用帶反饋的拓撲結構以實現更精確的控制。由於簡單且高帶寬的測量電路，藉助於dic/dt和dvCE/dt控制拓撲結構來實現關於模擬控制帶寬的最佳性能，易於生成恆定的參考值和簡單的控制放大器級。提出了僅dic/dt控制的不同實現或者針對導通或關斷期間的電流或電壓斜率控制的單獨的解決方案[2]。在[3]中提出了一種導通和關斷dic/dt和dvCE/dt控制的全面的方案。由於通過大量雙極電晶體的實現以及對控制迴路的有源的檢測和選擇，所以性能被限制到200Α/μ s和 IkV/μ S。

發明內容
本發明的目的是提供一種驅動方法及實現該方法的驅動器電路，以緩解上述缺點。本發明的目的通過以獨立權利要求中所陳述的內容為特徵的方法及電路來實現。本發明的優選實施方式在從屬權利要求中公開。本發明基於如下思想:使用單個的控制柵控元件的die/dt和dvra/dt兩者的PI控制器。由於導通和關斷過程的性質，不是集電極電流就是集電極-發射極電壓每次改變，從而使得能夠使用僅一個PI控制器。本發明的有源柵極驅動提供了使用簡單硬體實現的高度動態控制。對於硬體實現，只需要簡單的測量電路、在整個開關操作期間的恆定參考信號和一個單個的控制放大器。由於從dic/dt控制至dvo/dt控制的自然狀態轉換和相反的轉換，因此在提供最大模擬控制帶寬的開關瞬態期間不需要控制迴路的有源改變。通過本發明，可以使用簡單的結構來控制集電極電流的變化率和集電極-發射極電壓的變化率。受控制的變化率確保了與高變化率或過度損耗相關的問題得以處理。


下面，將參照附圖藉助於優選實施方式對本發明進行更詳細的描述，在附圖中:圖1示出了針對a)導通和b)關斷的感應開關瞬態的示意性電流和電壓波形；圖2示出了結合的電流和電壓斜率控制的框圖；圖3示出了有源柵極驅動的示意圖的示例；圖4示出了削波電路的示意圖的示例；圖5示出了針對不同的負載電流在導通期間測量的集電極電流i。、集電極-發射極電壓Vce和柵極驅動器輸出電壓；圖6示出了針對不同的電壓斜率在導通期間測量的集電極電流i。和集電極-發射極電壓Vce ;以及圖7示出了針對不同的電流斜率在導通期間測量的集電極電流i。和集電極-發射極電壓Vce。
具體實施例方式如圖1中所描繪和表I中所描述的那樣，IGBT的感應(硬)開關瞬態的主要特徵在於，對於導通和關斷操作，電流變化和電壓變化的區段總是彼此接替。
權利要求
1.一種用於控制柵控元件(30)的柵極驅動電路，所述柵極驅動電路包括適於接收輸入參考信號(vMf,d/dt)並且控制所述柵控元件的柵極電壓的PI控制器(31)，其特徵在於，所述柵極驅動電路還包括: 用於所述PI控制器(31)的第一反饋迴路，所述第一反饋迴路適於根據所述柵控元件(30)的集電極-發射極電壓(Vra)的時間導數來提供反饋，所述第一反饋迴路包括第一增益(kv), 用於所述PI控制器(31)的第二反饋迴路，所述第二反饋迴路適於根據所述柵控元件(30)的集電極電流(ic)的時間導數來提供反饋，所述第二反饋迴路包括第二增益(kj，其中 所述第二反饋迴路包括削波電路(32)，所述削波電路適於當所述集電極電流的所述時間導數為負時，在所述柵控元件(30)導通期間修改所述第二反饋迴路中的反饋信號。
2.根據權利要求1所述的柵極驅動電路，其特徵在於，所述柵極驅動電路還包括適於使用所述PI控制器(31)的柵極電流控制迴路，所述柵極電流控制迴路接收來自所述柵極電流的反饋信號，並且能夠連接以在導通延遲和關斷延遲期間控制所述柵極電流。
3.根據權利要求1或2所述的柵極驅動電路，其特徵在於，所述柵極驅動電路還包括緩衝電路(BUF)，用於放大來自所述PI控制器的輸出信號以驅動所述柵控元件(30)。
4.根據權利要求1、2或3所述的柵極驅動電路，其特徵在於，所述削波電路(32)包括用於使能所述削波電路的受控元件。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的柵極驅動電路，其特徵在於，所述削波電路一旦被使能，就限制所述輸出。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的柵極驅動電路，其特徵在於，通過使用所述第一反饋迴路中的電容器來將所述集電極-發射極電壓的所述時間導數確定為電壓電平，所述電容器響應於所述集電極-發射極電壓的變化。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的柵極驅動電路，其特徵在於，根據已知電感上的電壓、優選地根據所述發射極的寄生焊線電感上的電壓來將所述集電極電流的所述時間導數確定為電壓電平。
8.—種用於通過使用PI控制器(31)來控制柵控元件(30 )的方法，所述PI控制器(31)適於接收輸入參考信號(vMf, d/dt)並且控制所述柵控元件的柵極電壓，其特徵在於，所述方法: 將所述輸入參考信號(vMf, d/dt)提供給所述PI控制器， 根據所述柵控元件(30)的集電極-發射極電壓(Vra)的時間導數獲得用於所述PI控制器(31)的第一反饋信號， 根據所述柵控元件(30)的集電極電流(i。)的時間導數獲得用於所述PI控制器(31)的第二反饋信號， 當所述集電極電流的所述時間導數為負時，在所述柵控元件(30)的導通期間修改所述第二反饋迴路中的所述反饋信號。
全文摘要
一種用於控制柵控元件(30)的柵極驅動電路及方法，該柵極驅動電路包括PI控制器(31)，所述PI控制器適於接收輸入參考信號(vref，d/dt)並控制柵控元件的柵極電壓。該柵極驅動電路還包括用於PI控制器(31)的第一反饋迴路，適於根據柵控元件(30)的集電極-發射極電壓(vCE)的時間導數來提供反饋，第一反饋迴路包括第一增益(kv)；用於PI控制器(31)的第二反饋迴路，適於根據柵控元件(30)的集電極電流(iC)的時間導數來提供反饋，第二反饋迴路包括第二增益(ki)，其中，第二反饋迴路包括削波電路(32)，該削波電路適於當集電極電流的時間導數為負時，在柵控元件(30)的導通期間修改第二反饋迴路中的反饋信號。
文檔編號H03K17/567GK103208984SQ20131000996
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月10日 優先權日2012年1月13日
發明者亞尼克·洛布西格爾, 約翰·沃爾特·科拉爾, 馬蒂·萊蒂寧 申請人:Abb研究有限公司