半導體切換組件之切換驅動方法

2023-07-08 05:23:51 1

專利名稱：半導體切換組件之切換驅動方法
技術領域：
本發明與一種半導體切換的切換驅動方法有關。
背景技術：
半導體切換，像是例如金屬-氧化層-半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)或是絕緣柵極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transi stors，IGBT)系被廣泛的使用為切換負荷的電荷切換器。像是在半橋式轉換器(Half-Bridge)或橋式電路的例子之中，特別是為了驅動電荷馬達或是功率供應交換模式，其中存在一切換器來調整該功率消耗，其系利用一連串的感應儲存組件來進行切換。
在這種切換操作的情況中，首先的目標是儘可能達到一最短的激活(turn-on)時間，其意指該半導體切換器，由完全的關閉狀態到完全的激活狀態瞬間之時間期間，以及一最短的關閉(turn-off)時間，其意指指該半導體切換器，由完全的激活狀態到完全的關閉狀態瞬間之時間期間，以將所產生的切換損失最小化。其次，不管如何，在負載電流或是負載之間的電壓中，所產生的該切換器邊界(switching edges)以及該半導體切換器系被是適宜的平坦化(flattened off)，以用來限制該電磁雜散輻射(electromagnetic stray radiation)的頻率頻譜。其特別是施加在該電壓尚未以一種像是金屬箱籠的電磁屏蔽方式來保護的切換施加之中。於此狀況中，有一特別目標系該邊界時距(edge duration)需在50毫微秒(ns)至100毫微秒之間。於此情況中所產生的散射，其頻率則可較優的低於30百萬赫茲(MHz)，並因此以一種傳導方式傳播。此散射可利用濾波電流的方式加以過濾，因此不需要其它昂貴的機械保護方式。
DE 197 25 837 C2公開了一種為了金屬氧化物半導體電晶體(MOStransistor)的驅動電流，以提供一驅動信號給該金屬氧化物半導體電晶體，其包含三個部分，而位於第二個部分之中的該驅動信號，與第一與第三部分相比之下，系被減速的。此狀況中，該驅動信號也使用一與該單元有關的特定數值-這是說該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的柵源電壓-該金屬-氧化層-半導體(MOS)電晶體系處於關閉狀態，而因此該驅動信號可快速的抬升到此值，而不需要改變該切換狀態的結果，而是在該負載溝道電壓或是該負載電流之中的改變。在一結合的第二階段之中，該單元察看由該關閉狀態至該激活狀態的過程，因此該驅動信號的抬升，在此階段中被降速，以降低在該第二階段所發生的切換邊界尖銳度。在該驅動階段之一隨後的第三部分，該單元已經是激活的，而因此該驅動信號可於此階段中快速的抬升至其最大值。大體上來說，其可能利用一種三階段(three-stage)的驅動方式，對該切換器行為的切換邊界尖銳度與該切換速度進行最佳化。
為了要實作這樣的一種三階段驅動方式，其於DE 198 55 604 C1中被提議，利用激活一功率金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)，以在一第一階段之中，提供一第一充電電流給該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的驅動電極，直到該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的漏極電流(drain current)超過一電流閾值，並且在一隨後的第二階段之中，提供一第二、較小的充電電流至該驅動電極，直到該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的漏極電壓下降到一預定的、用以標示該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的激活狀態閾值之下。在一隨後的第三階段，該第一、較大的充電電流則於一預定的期間中，再一次提供給該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的驅動電極。當該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)系要被關閉時，此方法則以逆向序列被實作。
一般被知道的方法，為對於由一驅動階段至下一驅動階段的轉換標準，系被永久的調整至該各自的單元中，因此一驅動電路系被調整來驅動一半導體切換器的特定種類，而不能再被其它例如具有其它電壓閾值的種類所使用。甚至一半導體切換器的單元參數於製造上產生振蕩，其可具有對於該轉換至另一驅動階段的預定閾，而不能導致至該半導體切換器有一最佳切換操作之結果。

發明內容
本發明的目標系提供一種驅動一半導體切換器的最佳化方法，其中特別是上述中的缺點並不會發生。此目標可利用符合權利要求第1至18項特徵的方式達成。本發明的有利實施例則以該子權利要求的主題內容來敘述。
驅動一半導體切換器的方法，其切換狀態系一種在一驅動電極上所儲存電荷的函數，並且除有一負載溝道外，具有一為了施加一驅動信號的驅動終端，其包含了一施加的被選擇驅動信號，使得在驅動電極上的儲存電荷，會隨時間而改變，為了一切換操作，信號參數所定義的該驅動信號時間曲線，系永久被預定的。此方法亦提供來決定該半導體切換器的一理想切換時刻，其參考該驅動信號或是一種與信號立即相關的時間曲線，並決定該參考該驅動信號的半導體切換器之實際切換時刻，是否與該理想切換時刻相異。如果這樣的一種預定切換時刻系與該理想切換時刻相異，至少有一該驅動信號的參數，為了該隨後的切換操作而被改變。
該驅動信號只有在該實際切換時刻與該理想切換時刻相異時，以一種多於預定的參考時間期間被較佳的校正。
根據本發明的方法之中，該驅動信號的曲線，系隨著切換操作所調整，直到參考該驅動信號的時間曲線之實際切換時刻，不再與該理想切換時刻相異，或是小於該預定時間期間。
為了決定該切換時刻，例如，該半導體切換器的負載溝道上的電壓值系被評估的，該切換時刻系與該負載溝道電壓值達到一與最大負載溝道電壓值有關的時刻所相當的，例如設定為50％的最大負載溝道電壓值。其也可能評估該負載電流通過該半導體切換組件的曲線，以用來決定該切換時刻。
提供為了激活或關閉一具有驅動電極的半導體切換器之驅動信號，特別是為了一種金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣柵極電晶體(IGBT)，系以一種驅動電流來對該驅動電極充電，以激活該半導體切換器，並將其放電以關閉該半導體切換器。該理想切換時刻可在與此驅動電流，以及與此驅動電流有關之信號的時間曲線的情況中所確定，例如存在於該驅動終端的該驅動電壓，或是在該驅動電極上的電荷。
其是被提供的，在一實施例之中，一為了該半導體切換器的切換驅動之驅動電流，至少時間上連續的帶有一第一振幅的第一時間期間之第一片段，以及帶有一第二振幅的第二時間期間之第二片段。這些片段的該個別的振幅以及該個別的時間期間，既然系該驅動信號的可調整參數，因此其可為了校正該實際切換時刻至該理想切換時刻而變化。
這樣的方法基本上適合於在激活與關閉一半導體切換器的兩種情況中，該驅動電流的電流方向，對於激活操作與關閉操作來說，當然是不同的。
該理想切換時刻可被選擇為一種個別要求的方法，其系除有與該驅動信號的時間曲線有關的要求而被執行的。如果該驅動電極，最初於該激活操作的期間中被緩慢的充電，例如在該第一驅動階段之中，直到激活的轉換是已經被實作的，並於接下來被快速的充電，該理想切換時刻便被選擇於位於該第一驅動階段之中，例如在開始接下來與該第一驅動階段結束之前的一預定的時間期間。然而，如果該實際切換時刻在一切換操作期間繫於該第二階段之中，該第一時間期間便被延長，例如，為了置換該實際切換時刻於該第一驅動階段之中。
相比之下，如果該驅動電極最初於關閉的期間被快速的充電，而接下來則更慢的充電，則該理想切換時刻被選擇來減少該電磁電流(EMC)雜散輻射，因此其便位於該第二驅動片段中。然而，如果該實際切換時刻於一切換操作期間，系位於該第一階段之中，該第一時間期間便被減少，例如，以用來置換該實際切換時刻於該第二驅動階段之中。
該驅動電流的時間曲線，較佳的系包括三個片段，兩別的連續片段之振幅，而該第二片段與該第一與第三片段相比之下具有一較低的振幅。既然如此，於該驅動電極為了激活比該第二與第三片段，所帶有輔助的較低充電電流之切換組件而充電的期間，以及在該驅動電極為了關閉比該第一與第三片段，所帶有輔助的較低放電電流之切換組件而放電的期間，該理想切換時刻，系較佳的暫時位於此時間曲線的第二片段之中。如果該實際切換時刻系位於此第二片段之中，該半導體組件可達到一平坦的切換邊界，而在該第一與該第三片段之中，對該驅動電極的快速充電或放電係為了獲得一儘可能短的全面性切換期間而達成的。
利用此方法同樣地也可能對於該時間期間或位於該第一片段的驅動電流振幅，在該實際切換時刻與該理想切換時刻相異時，可以如參數般的變化。
在另外一實施例的情況中，其系可能被提供的，該驅動信號系被選擇的，因此對於一切換操作而言，該驅動電壓的時間曲線具有至少兩不同梯度的片段，該第一與第二片段的時間期間及/或這些片段的梯度系可根據該驅動信號而調整的參數。
如果，在此方法的情況之下，該實際切換時刻與該理想切換時刻相異的程度大於該預定的時間期間，則例如於本方法中的該第一片段的時間期間便被改變。為了調整該驅動電壓的第一與至少依第二片段之時間期間，該驅動電壓較佳的系以一第一與第二參考數值相比較，至少兩數值之一，系除有該實際切換時刻與該理想切換時刻之間的時間間隔之函數所變化。
該驅動電壓的時間曲線，較佳地系包括至少三個片段，其中每個情況的連續片段具有一不同的梯度，該第二片段較佳地系相較於該第一與第三片段，具有一較小的梯度。在此方法的情況之中，該理想切換時刻系被較佳的選擇為位於該第二片段，以為了由此得到一平坦的切換邊界，也對關於其全面性期間進行最佳化。
其被假定為於該方法的情況中，到目前為止所解釋的，一在該實際切換時刻與一別理想切換時刻之間的時間間隔系被決定的，該驅動信號的參數之中，至少有一系隨此時間間隔的函數所變化。在一簡化實施例的情況中，代替這樣的一時間差異量測，其也可能於一預定的時刻來決定，例如在每個狀況中之第二驅動期間的結束處，不管是被稱為激活或是關閉的切換操作被執行，其按照一順序作用，以改變該驅動電流或該驅動電壓的對應參數。


本發明可以下的示範實施例，配合圖說的協助，加以更細部的解釋，其中第1圖說明一種具有半導體切換組件的線圈配置，其為了切換以一連串的負載溝道相接的負載，被設計為一種金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的形式，並具有一驅動線圈，第2圖描繪一示範實施例，其將該驅動電壓的電磁(EMC)散射減低之三階段時間曲線方法以及因此導致的該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的負載溝道電壓之時間曲線視為目標，第3圖描繪該施加於本發明方法的迭代步驟，以校正根據第2圖的激活操作之要求時間曲線，第4圖描繪該施加於本發明方法的迭代步驟，以校正根據第2圖的關閉操作之要求時間曲線，第5圖描繪該驅動電壓的曲線(第5a圖)以及一為了激活該半導體切換器的兩階段驅動方法之充電電流(第5b圖)，以及第6圖描繪該驅動電壓的曲線(第5a圖)以及一為了關閉該半導體切換器的兩階段驅動方法之充電電流(第5b圖)。
具體實施例方式
為了以下所說明的驅動方法提供較佳的了解，第1圖說明種具有半導體切換組件M的線圈配置，其被設計除有金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)且其負載溝道或漏-源溝道(drain-source path)D-S，系在一正向供應電壓V+的終端與一負向供應電壓的終端或參考電壓GND之間，以一連串的負載Z所連接。該描繪的金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)系以一種低側(low-Side)切換器的方式連接，其負載溝道D-S因此為於該負載Z與參考電壓GND之間。
該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M具有一柵極G，其因此形成該驅動電極。該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M激活與關閉的方法，系被一般所充分知道的利用位於該柵極G以及該源極終端S之間的一驅動電壓Vgs做為函數，其形成該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的一負載終端，此驅動電壓Vgs系以儲存在柵源電容器(gate-Source capacitor)之上或是在該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的柵極電容Cgs之上的電荷做為函數。
提供驅動該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的目的，系以一驅動線圈10，其根據存在於一輸入終端IN的輸入信號Sin，來切換該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M為激活或關閉。
利用範例的方式，第2b圖描繪該驅動電壓Vgs的時間曲線，其系被要求以在第2a圖中的該輸入信號Sin做為函數，以達到一種電磁最佳的(EMC-optimized)切換行為。起因於該驅動電壓Vgs，該漏-源(drain-source)電壓Vds的時間曲線，其重現該切換曲線，被描繪在第2c圖中。
該驅動電壓Vgs具有一三階段的曲線以進行激活操作，其於該示範實施例中所描繪的，於時刻t1開始。在該激活操作的開始時刻，該驅動電壓Vgs首先以一第一梯度上升至該驅動電壓Vgs達到一第一電壓值V1，接下來以一較該第一梯度為小的第二梯度繼續上升，直到該驅動電壓Vgs達到一第二電壓值V2，並繼續以一第三梯度上升，直到達到一例如與該正向供應電壓V+有關的第三參考數值V3。
參考第2b圖，該關閉操作於個別的激活操作之間發生，也理想地於三階段中執行，在這樣的情況中，由該第三參考電壓V3開始，該驅動電壓Vgs首先以一第四梯度降低，直到達到一第四參考數值V4，接著繼續以一較該第四梯度為小的第五梯度降低，直到一第五參考數值V5，並繼續以一例如與該第四梯度相同的第六梯度降低，直到達到於本範例中，一與驅動電壓Vgs＝0有關的一最終值。於此關閉操作期間，該理想切換時刻繫於該關閉操作的第二驅動片段之中，與該時刻有關的激活時刻，其負載溝道電壓Vds已經儘可能的上升到該較佳的與最大負載溝道電壓的50％相關的閾電壓的數值Vt。
隨時間的該驅動電壓Vgs的梯度，系一金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的輸入電容有關之函數，其包括該柵-源(gate-source)電容與該漏-柵(drain-gate)電容。於該激活操作的該第三片段中，以及該關閉操作的該第一片段中，該傳統金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的輸入電容，系較該激活操作的該第一片段中，以及該關閉操作的該第三片段中為大的，因為該漏-柵(drain-gate)電容係為該現有電壓的函數。這樣的結果系在該激活操作的第一與第三片段給予相同的充電電流，該驅動電壓會較於該第一片段中更快速的上升，因為其較於該第三片段中有較小的輸入電容。該第一片段的充電電流，系被較佳地選擇，因此此片段的一預定時間期間便不會降低，且該驅動電壓Vgs也不會太快的上升，以為了在該第一參考電壓V1達到的時候，可以儘可能精確的偵測。在關閉操作時，給予該第一與第三片段一相同的充電電流，一較大的梯度會在該第三片段產生，因為其具有較該第一片段為小的輸入電容。
該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的激活時刻，於該示範實施例中系以實際狀況加以定義，該漏-源(drain-source)電壓Vds已經降低至一閾值Vt，於該激活操作的期間中，系暫時的存在於該驅動電壓Vgs的第二驅動片段中。該閾值Vt較佳地系與該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的負載溝道之上的線有最大電壓的50％相關，於本說明的情況中，為與該正向供應電壓V+的50％有關。一激活期間系定義為於該時刻t1的激活操作開始時，與由該閾電壓Vt所定義的實際激活時刻Tson之間的時間期間。
所描述的該驅動電壓Vgs的三階段時間曲線，其在該驅動電壓Vgs的第一與第三片段具有較快的上升速度，而於第二片段中較為平坦，其中該激活時刻Tson系被發現的，首先以確保一激活操作系根據該激活邊界的尖銳度以及由此形成的負載電流Id或該負載溝道電壓Vds而最佳化，而接下來，一足夠高的切換速度系被確保的。該切換速度系由實際狀況所達成，該驅動電壓在該切換時刻Tson之前與接下來快速的上升，實際狀況中，該柵-源(gate-source)電容Cgs繫於該第一與第三片段中，相較於第二片段中被快速的充電。
關於該驅動電壓Vgs，於該描繪的示範實施例中，該激活時刻繫於該驅動電壓Vgs上升到一數值Von時所達成。
為了獲得此理想激活曲線，該第一與參考電壓V1，V2系被調整為該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的激活電壓Von。在根據本發明的方法之情況中，此參考數值的調整系以由激活操作至關閉操作的迭代所實行的，除有以第3圖的協助，於接下來所描述的激活操作。
第3a圖說明該激活電壓Vgs，根據該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的三個時間上連續激活操作之三個時間曲線，這些時間曲線系個別的描述，以對根據本發明的方法有較佳的了解。由(1)所標註的連續曲線，表示為了一第一激活操作的該驅動電壓Vgs曲線，由(2)所標註的長破折點線，表示為了一第二激活操作的該驅動電壓Vgs曲線，由(3)所標註的破折線，表示為了一第三激活操作的該驅動電壓Vgs曲線。
在該第一激活操作期間，該驅動電壓Vgs以一第一梯度上升至該第一參考電壓V1(1)，接著以一較小的第二梯度，上升至該第二參考電壓V2(1)，並繼續以一可較佳地設定為與該第一梯度相等的第三梯度，上升到該第三參考數值V3。該激活電壓Von最初系高於該第二參考電壓V2(1)，而所以與該驅動電壓Vgs的時間曲線有關的實際激活時刻Ton，系此驅動電壓Vgs的第三片段。其可能設定成為了進一步的說明，與該驅動電壓Vgs有關的該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的理想激活時刻，繫於該第二片段之中，以為了達到一平坦的切換邊界。此為了該第一激活操作的理想切換時刻於第3a圖中以Tid(1)來標註。
該理想切換時刻Tid(1)於與該第二驅動片段結束處有關的描述示範實施例中，系被定義的，並且系位於此第二驅動片段結束或是該第三驅動片段開始之前的一預定時間期間。
當該驅動電壓已經上升至一數值Von時，該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)便激活。此數值係為了在該激活時刻Tson(1)的第一激活操作而達成的。根據本發明的方法，則被提供以決定於該實際激活時刻Tson(1)與該理想激活時刻Tid(1)之間的時間間隔，其於第3a圖中以ΔT(1)加以標註，而此時間差異系與一參考數值相比，當此時間間隔較該預定參考數值為大時，所再次激活操作的期間，以改變該激活信號Vgs的時間曲線參數。
在第3a圖中所描述的方法中，其於此情況之下提供改變該第一驅動片段的期間，除有該驅動電極Vgs的時間曲線參數外，並且其藉由增加或減少該第一參考電壓來達成，該第二驅動片段的期間，較佳地系維持一定值。為了脫離於第二驅動片段定值的期間，該第二參考數值於範例中，系與該第一參考數值相同的延伸方式而增加或減少。
在此範例中，在該第一激活操作期間，該實際激活時刻Tson(1)與該理想激活時刻Tid(1)之間的時間間隔，系較該時間參考數值(並未進一步詳細描述)為大的，其系與像是該數值Δt有關，且於時序上系位於該理想切換時刻Tid(1)接下來。該第一參考數值則因此為了接著的激活操作而增加，就除有曲線(2)所表示的。在此激活操作期間，該驅動電壓Vgs於該第一片段期間上升至一被增加的第一參考數值V1(2)。在該接下來的第二片段，該驅動電壓上升至一被增加的第一參考數值V2(2)，並且在接下來的第三片段，繼續上升至該第三參考數值V3。與該第一激活操作相反的，該第一片段的期間系被延長的，該第二片段的期間維持相同，而該第三片段的期間系被縮減。關於該第二驅動片段結束的理想切換時刻Tid(2)系被定義的，其在該第一激活操作的期間，利用對照該激活操作開始的方式，於後取代了該理想切換時刻Tid(1)，且因此在該驅動電壓Vgs到達該激活電壓Von的時候，其更接近於該實際切換時刻Tson(2)。在第3a圖描述的此激活操作期間中，該激活時刻Tson(2)也位於該第三驅動片段中，並且於該理想切換時刻Tid(2)與該實際接換時刻Tson(2)之間的時間差異ΔT(2)，系較該預定時間參考數值為大的，所以該第一電壓參考數值，以及該第二電壓參考數值，被進一步上升到下一激活操作，就像曲線(3)所表示的。
在進一步的激活操作期間，該驅動電壓Vgs於該第一驅動片段期間上升到一第一參考數值V1(3)，其與之前的激活操作情況之中的參考數值V1(2)相比更為增加。在一接續的第二驅動片段期間中，該驅動電壓Vgs上升到一已增加的第二參考數值V2(3)，該驅動電壓Vgs接著繼續於該後續的第三片段期間中，上升到該第三參考數值V3。在此第三切換操作期間，該驅動電壓Vgs現在則上升到該第一片段的範圍之中，而該激活電壓Von則於該更平坦的第二驅動片段中達成。一以該時間期間Δt，再一次的位於該第二驅動片段結束處之前的該理想切換時刻Tid(3)，與該實際切換時刻Tson之間的時間間隔系被記做ΔT(3)。其可能被設定為此數值ΔT(3)系比該預定的時間參考數值為小，而因此為了校正該驅動電壓Vgs的時間曲線之迭代步驟的結束便可達成。此關於參考數值V1(3)、V2(3)的校正，為了後續的激活操作系被永久的維持，該實際激活時刻Tson的時間點總是參考該固定、理想切換時刻而決定，以在適當的時候，收集該驅動電壓Vgs的時間曲線的信息。
除有由第3a圖中可能看到的，其設定該驅動電壓的梯度，於第一驅動片段之中，系比第二與第三片段驅動片段中為陡峭的，於該第一參考數值的每個增加，導致該激活時間的減少，其標示出在該激活操作開始與達到該激活電壓Von之間的時間期間。
於實際切換時刻與該理想切換時刻之間的時間間隔，可間接的例如藉由該個別的切換操作的開始與該實際切換時刻之間的時間期間而決定。舉例而言，如果該理想切換時刻系參考該第二驅動片段的開始或結束所定義的，並且如果該驅動系被實行的，則該第二驅動片段總會具有相同的長度，其因此可能直接的帶出該實際切換時刻之相對時間位置的結論，其系與該切換操作的開始與該實際切換時刻之間的時間期間有關。
第3b圖說明以範例的方法中，為了達成如第3a圖中所描述的驅動電壓Vgs時間曲線，該驅動電流Ig的時間曲線。該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的柵極G系個別以在該第一驅動片段期間的第一充電電流Ig1，以及在該第二驅動片段期間的較該第一充電電流為小的第二充電電流Ig2，以及在該第三片段期間中，與如範例中的第一充電電流Ig1有關之第三充電電流來充電。在所描述的範例之中，其實際切換時刻Tson於時間上係為於該要求的理想切換時刻接下來，該第一驅動片段則以所解釋的方式延伸-於該第二驅動片段維持定值-直到該實際切換時刻落於一時間窗的範圍中，其利用該時間參考數值預定，於該理想切換時刻附近。
該驅動電壓的時間曲線，於之前解釋過的迭代控制方法之情況中系被考慮的，該第一參考數值V1(.)系以該實際切換時刻Tson與該理想切換時刻Tid(.)的時間間隔為函數而變化的。
參考於第3b圖中所描述的驅動電流Ig之時間曲線，其也可能以變化該第一片段的時間期間的方式，於該第一驅動電流Ig1流向該柵極的期間，增加或減少該激活操作，就除有以一種參考該理想切換時刻的實際激活時刻Tson之時間位置為函數外。就為了該第一、第二與第三描述激活操作的驅動電流Ig時間曲線而論，假設該理想切換時刻繫於該第二驅動片段結束之前的一預定時間期間，該第一驅動片段系在該第三激活操作的期間，從激活操作到關閉操作的過程中被增加的，直到該實際激活時刻Tson系位於該第二驅動片段的範圍，其中該柵極Ig系以該第二、較小的充電電流Ig2來充電的。
如果該實際切換時刻於時間上系在該理想切換時刻之前，當以一種未被係為描述的方法調整該切換行為，而評估該驅動電壓Vgs時，該第一電壓參考數值繫於激活操作到激活操作的過程中逐漸減少的，直到該實際切換時刻系位於該理想切換時刻附近，一預定時間窗的範圍之中。
在此情況中，當考量該驅動電流Ig，該第一驅動片段以一種相同的方法隨時間逐漸的減少，直到該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的實際切換時刻系位於該理想切換時刻附近，一預定時間窗的範圍之中。
除有已經指出的該理想切換時刻相對該驅動電壓Vgs的時間曲線或是該驅動電流Ig的時間曲線而言系固定的，例如由實際狀況中，該理想切換時刻系位於該第二驅動片段的開始接下來或結束之前的一預定時間期間。其可能系需要考慮到在決定該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)的實際激活時刻之信號傳遞延遲，其系被執行的，例如比較該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的負載溝道電壓Vds與一參考電壓。因此在一評估線圈指指示該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)進行激活之時刻，該實際激活時刻可以已經由該發生的信號傳遞延遲所拖延。這些信號傳遞延遲可能由該要求理想切換點的適當取代所考慮。舉例而言，如果於該第二驅動片段期間，其實際上要求在一該第二驅動片段結束之前的預先決定時間期間，以考慮該信號傳遞延遲的情況下，激活該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)，該理想切換時刻便以這些信號傳遞延遲的數值而向後取代，並且接下來可以適當的，系已經位於該驅動電壓Vgs時間曲線或該驅動電流Ig時間曲線的第三驅動片段之中。如果該切換時刻系由該理想切換時刻所支配的，該實際切換時刻系已經藉由這些信號傳遞延遲，位於該以想切換時刻之前，並因此仍就位於該第二信號片段之中。
該第一電壓參考數值V1(1)與如果適當的該第二電壓參考數值V2(2)，或是於該第一驅動片段的時間期間中的變化，系在該實際切換時刻並位於該理想切換時刻附近，一預定時間窗的範圍之中時，利用與從激活操作到激活操作的情況中，完全相同的步驟所實行。更進一步的，當改變該第一電壓參考數值或是該第依驅動片段的時間期間時，其也可能考慮到該實際切換時刻與該理想切換時刻之間的時間間隔，這是說增加該電壓參考數值或是該第一驅動片段的時間期間，與之前的數值相比之下，愈大的該實際切換時刻與該理想切換時刻之間的時間間隔，系愈良好的。
為了調整該第一電壓參考數值，例如，其可能在每個激活操作接下來，提供一整合的控制器，其系被供給一與該實際切換時刻與該理想切換時刻之間的時間間隔的有關數值，並且其為了該接下來的激活操作，提供第一電壓參考數值。該第二電壓參考數值，較佳地系以依預定的偏移，與該第一電壓參考數值相異，因此該第二驅動片段的期間，維持與從該激活操作至激活操作之間相同。
第4圖描述該發明中，該驅動電壓Vgs的時間曲線之迭代校正操作，以為了在關閉操作之中的三階段方法的關閉操作。該個別的關閉時刻，則在該控制電壓Vgs下降到一關閉電壓Voff的時候，參考於第4a圖中所描述的所達成。第4a圖中以(1)所標註的連續曲線，說明該第一關閉操作的驅動電壓Vgs之時間曲線。V4(1)1u1標註為了此第一關閉操作的一第四參考電壓，而V5(1)標註為了此第一關閉操作的一第五參考電壓。該關閉電壓Voff系較於該第五參考電壓V5(1)為低，而因此在該第一關閉操作期間，該實際關閉時刻Tsoff(1)在此關閉操作期間之中，系位於該驅動電壓Vgs的第三時間片段之中。為了達成該實際關閉時刻Tsoff系位於該驅動電壓Vgs時間曲線的第二時間片段之中，該第四參考數值於此示範實施例中系可以變化的，該第五參考數值系對應的被改變，以達成一該第二驅動片段的固定時間期間。在該後續的第二關閉操作期間之中，該驅動電壓Vgs下降至一於該第一驅動片段期間之中，被減少的第四參考數值V4(2)，並繼續下降至一於該第二驅動片段期間之中，被減少的第五參考數值V5(2)。該第五參考數值V5(2)仍舊大於該關閉電壓Voff，且該實際關閉時刻Tsoff(2)與該理想關閉時刻Ta(2)之間的時間間隔，也仍舊大於該預定的參考期間，因此在該後續的第三關閉操作期間，該第四參考數值系被相對的進一步減少至一數值V4(3)，而該第五參考數值V5(3)也相對的減少。在此第三關閉操作期間，該實際關閉時刻Tsoff(3)便位於該第二驅動片段，並且更進一步的，系位於理想關閉時刻Ta(3)附近，一預定的時間窗之中，而具有該參考數值V4(3)，並以(3)所標註的該描繪時間曲線，其V5(3)係為了後續關閉操作而被維持的。
第4b圖說明為了達到於第4a圖中所描述，該驅動電壓Vgs時間曲線的驅動電流Ig時間曲線，在此情況之中，該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)M的柵極G繫於該第一驅動片段期間，以一第四放電電流Ig4所放電的，於該第二驅動片段期間，以一第五放電電流Ig5所放電的，並於該第三片段期間，更好地以一與該第四放電電流Ig4有關之第六放電電流。與該激活期間一致的步驟，代替該驅動電壓Vgs，其系可能考慮該驅動電流Ig的時間曲線，以為了該關閉操作的最佳化目的，在這樣的情況中，如果參考由該驅動電流Ig時間曲線所定義的理想關閉時刻之實際關閉時刻Tsoff系有差異的，該第一驅動期間的時間期間便被改變。
除了在該激活操作與關閉操作期間的該第一及/或第二驅動片段之時間期間的變化之外，其可能進一步的存在於該第一驅動片段期間，該充電電流或放電電流的振幅改變，且其系與於該第一驅動片段期間，該驅動電壓Vgs的梯度改變所相等的。
在符合第3與第4圖的描述中，該驅動電壓Vgs與該驅動電流Ig的時間曲線，在各自的驅動片段之間都具有」困難(hard)」的轉變，這是指在各自的驅動片段之間，該驅動電壓Vgs梯度突然地改變，且該驅動電流Ig的振幅也相對應的突然改變。當然，在各自的驅動片段之間，其可能設定成較柔和的轉換，且其系可能達成的，例如，利用在各自的驅動片段之間，緩慢的增加或減少該驅動電流的方式。
總體來說，一實際切換時刻與一理想切換時刻之間的之差異，系利用之前敘述的三階段方式所決定，且當該實際切換時刻繫於該理想切換時刻接下來時，該第一驅動片段的時間期間便被延伸，而當該實際切換時刻繫於該理想切換時刻之前時，該第一驅動片段的時間期間便被縮減。該第一驅動片段的期間可利用調整一電壓參考數值的方式調整，其驅動電壓Vgs為了調整該第一驅動片段的期間，系被比較的。
該切換操作也可能僅利用一兩階段的方式來處理驅動與關閉，而其於第5與第6圖中所描繪。
第5a圖說明一兩階段激活方式之中，該驅動電壓Vgs的時間曲線，其中該驅動電壓Vgs首先於第一片段中，較平滑的上升至一參考數值V2，接下來於後續的第二片段中較急遽的上升。在此驅動方法中，該理想切換時刻系較佳的位於該第一片段結束的些許前方。如果於此方法中，該實際切換時刻系與該理想切換時刻分離的，該參考數值V2便於該激活操作至激活操作之間被校正，直到在該實際與理想切換時刻之間沒有任何的時間差異，或直到該差異小於一預定的參考數值。
第5b圖說明為了達成如第5a圖中所描述的驅動電壓Vgs時間曲線，該驅動電流Ig的時間曲線。
第6a圖說明一種兩階段關閉方式之中，該驅動電壓Vgs的時間曲線，其中該驅動電壓Vgs首先於第一片段中，較急遽的下降至一參考數值V4，接下來於後續的第二片段中較平緩的下降。在此驅動方法中，該理想切換時刻系較佳的位於該第二片段開始的些許前方。如果於此方法中，該實際切換時刻系與該理想切換時刻分離的，該參考數值V4便於激活操作至激活操作之間被校正，直到在該實際與理想切換時刻之間沒有任何的時間差異，或直到該差異小於一預定的參考數值。
第6b圖說明為了達成如第6a圖中所描述的驅動電壓Vgs時間曲線，該驅動電流Ig的時間曲線。
其也可能在已解釋的該激活與關閉的三階段方法之中，選擇該驅動電流，使得在該第一與第三驅動片段期間，該驅動電壓Vgs理想地上升到接近於垂直的程度。更進一步的，其可能選擇該驅動電流，使得在該第二驅動片段期間，該驅動電壓Vgs以一非常平緩的方式執行，因此該驅動電壓Vgs的初始數值與該最後數值，繫於此第二驅動片段中相等的。每個金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)具有一附帶柵極阻抗系列(parasitic gate series resistance)。由於一來自於該柵極阻抗系列與該柵極電容、柵極電壓的時間常數(RC time constant)，其系位於該實際電晶體單元，並且無法從外面存取，所以如果一稍微大於該激活電壓Von的固定電壓為了激活的目的，而被施加到該外部柵極終端時，其系延遲的，並且會以足夠緩慢的上生速率，激活該金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)。
於所說明的方法中，有一點系被假設的，一時間間隔系在該實際切換時刻Tson(於第3a圖中)或Tsoff(於第4a圖中)與一別的理想切換時刻之間所決定，該驅動電流Ig或該驅動電壓Vgs的至少一參數，系已經以一函數方式被改變的。取代了這樣的一時間差異量測，其可能於一簡化的實施例之中，預定一時刻，使該切換操作應該被最後執行。例如，此時刻是一於該個別切換操作開始接下來的預定時間期間。與此方法中，該驅動電流Ig或驅動電壓Vgs個別的參數，系根據一切換操作，其可能是激活或關閉，是否在該預定時刻所執行而變化的。
參考符號列表10驅動線圈Cgs柵源電容D漏極終端G柵極終端GND參考電壓Id負載電流Ig1、Ig2充電電流Ig3、Ig4放電電流M金屬-氧化層-半導體場效電晶體(MOSFET)S源極終端Sin輸入信號Ta(.)理想關閉時刻Tid(.)理想激活時刻Tsoff(.)實際關閉時刻Tson(.)實際激活時刻V+供應電壓V1(.)、V2(.)參考電壓V3參考電壓V4(.)、V5(.)參考電壓Vgs驅動電壓，柵源電壓Voff關閉電壓Von激活電壓Vt閾電壓Z負載
權利要求
1.一用來驅動一半導體切換組件(M)的方法，其切換狀態為一儲存於一驅動電極上的電荷之函數，且其除有一負載溝道(D-S)外，具有一驅動終端(G)以施加一驅動信號(Ig)，該方法包括下述的步驟-施加一驅動信號(Ig)以切換該半導體組件(M)，其系被選擇以使得一儲存於該驅動電極上的電荷隨時間而產生改變，為了進行切換操作，信號參數所定義的該驅動信號(Ig)時間曲線，系被永久預定的，-決定該半導體切換組件(M)的理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))，其系參考該驅動信號(Ig)或一與其相關之信號(Vgs)的時間曲線，-決定參考該驅動信號(Ig)或與其相關的該信號(Vgs)的該的時間曲線之半導體切換組件(M)的實際切換時刻，是否與該理想切換時刻有差異，-當差異產生於該半導體驅動組件(M)的實際切換時刻(Tson、Tsoff)以及該理想切換時刻之間，為了接下來的切換操作，改變至少該驅動信號(Ig)的一參數。
2.如權利要求第1項的方法，其中當已判知多於一預定時間參考數值的差異產生於該半導體驅動組件(M)的實際切換時刻(Tson、Tsoff)以及該理想切換時刻之間，為了接下來的切換操作，改變該驅動信號(Ig)的至少一參數。
3.如權利要求第1或第2項的方法，其中該驅動信號(Ig)係為該驅動電極的一充電或放電電流。
4.如上述權利要求之一的方法，其中與該驅動信號(Ig)有關的信號，係為在該控制電極的一驅動電壓，或是一儲存於該驅動電極的電荷之時間曲線。
5.如上述權利要求之一的方法，其中一跨越該負載溝道(D-S)的電壓(Vds)，係為了決定該實際切換時刻(Tson、Tsoff)所評估的。
6.如權利要求第5項的方法，其中該實際切換時刻(Tson、Tsoff)系與該負載溝道電壓(Vds)達到與一最大負載溝道電壓有關的一規定數值(Vt)之一時刻。
7.如上述權利要求之一的方法，其中該驅動信號(Ig)系被選擇的，因此其於時間上連續，且至少具有一帶有第一振幅(Ig1；Ig3)的第一時間期間之第一片段，以及一帶有第二振幅(Ig2；Ig4)的第二時間期間之第二片段，該個別的振幅及/或該個別片段的時間期間，係為該驅動信號(Ig)的可調整參數。
8.如權利要求第7項的方法，其中該第一片段的時間期間，在該實際切換時刻(Tson；Tsoff)與該理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))有差異的時候，是被改變的。
9.如權利要求第6項的方法，其中該第一片段的振幅(Ig1；Ig3)，在該實際切換時刻(Tson；Tsoff)與該理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))有差異的時候，是被改變的。
10.如上述權利要求第1至第5任一項的方法，其中該驅動信號系被選擇的，因此為了一切換操作的進行，該驅動電壓(Vgs)的時間曲線至少具有兩不同梯度的片段，該第一與第二片段的時間期間及/或該片段的梯度，係為該驅動電壓(Vgs)的參數，而可根據該驅動信號調整
11.如權利要求第10項的方法，其中該理想切換時刻系被選擇的，因此其系位於該驅動電壓(Vgs)時間曲線的第二片段之中。
12.如權利要求第10或第11項的方法，其中該第一片段的時間期間，在該理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))與該實際切換時刻(Tson；Tsoff)有差異的時候，是被改變的。
13.如上述權利要求第10至第12項之一的方法，其中，為了校正該至少兩片段的時間期間，該驅動電壓至少系與一第一與第二參考數值(V1、V2)所比較，至少該參考數值(V1、V2)的其中之一，在該實際切換時刻(Tson；Tsoff)與該理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))有差異的時候，係為了接下來的切換操作被改變。
14.如上述權利要求第6至第13項之一的方法，其中該理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))系參考該片段之一的開始或結束所定義的。
15.如權利要求第10項的方法，其中該驅動電壓(Vgs)的時間曲線至少具有三個片段，在每個情況之中，此連續片段具有不同的梯度
16.如權利要求第15項的方法，其中該第二片段相較於該第一與第三片段，具有一較小的梯度。
17.如上述權利要求第15或第16項的方法，其中該理想切換時刻(Tid(1)、Tid(2)、Tid(3))系被選擇的，因此其位於該第二片段之中。
18.一用來驅動一半導體切換組件(M)的方法，其切換狀態為一儲存於一驅動電極上的電荷之函數，且其除有一負載溝道(D-S)外，具有一驅動終端(G)以施加一驅動信號(Ig)，該方法包括下述的步驟-施加一驅動信號(Ig)以切換該半導體組件(M)，其系被選擇以使得一儲存於一驅動電極上的電荷隨時間而產生改變，為了進行切換操作，信號參數所定義的該驅動信號(Ig)時間曲線，系被永久預定的，-決定該半導體切換組件的切換操作，是否已在一參考該驅動信號(Ig)或與其相關之一信號之時間曲線的預定時刻所實行，當於該預定時刻並沒有任何切換操作被實行時，為了一接下來的切換操作，改變該驅動信號(Ig)的至少一參數。
全文摘要
本發明與驅動半導體切換組件的方法有關，其切換狀態為儲存於一驅動電極上的電荷之函數，該方法包括下述的步驟施加驅動信號以切換該半導體組件，其系被選擇以使得一儲存於驅動電極上的電荷隨時間而產生改變，為了進行切換操作，信號參數所定義的該驅動信號時間曲線，系被永久預定的；決定該半導體切換組件(M)的理想切換時刻，其系參考該驅動信號或與其相關信號的時間曲線；決定參考該驅動信號(Ig)或與其相關的該信號(Vgs)的時間曲線之半導體切換組件(M)的實際切換時刻，是否與該理想切換時刻有差異，並在一差異被決定接下來，為了接下來的切換操作，至少改變該驅動信號的一參數。
文檔編號H03K4/00GK1606237SQ20041001202
公開日2005年4月13日 申請日期2004年9月28日 優先權日2003年10月6日
發明者M·菲爾德科爾勒 申請人:因芬尼昂技術股份公司