功率晶體管的開啟驅動電路、關斷驅動電路及開關電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種功率晶體管的開啟驅動電路、關斷驅動電路及開關電路。開啟驅動電路包括：第一電路，所述第一電路包括互相并聯的電阻和電容，以及第二電路，所述第二電路包括電阻，所述第二電路與所述第一電路串聯，其中，所述第一電路的電阻的阻值控制所述功率晶體管的輸出電壓的上升率，所述第二電路控制所述功率晶體管的輸出瞬態電流，并且其中所述第一電路的電阻的阻值比所述第二電路的電阻的阻值大。本發明的功率晶體管的關斷驅動電路包括第一電路和第二電路，所述第一電路包括串聯在所述功率晶體管中的驅動路徑中的第一電阻和第二電阻，所述第二電路包括電容，該電容和第一電路的第一電阻或第二電阻并聯。
【專利說明】功率晶體管的開啟驅動電路、關斷驅動電路及開關電路【技術領域】
[0001]本發明涉及功率晶體管的一種改進的驅動電路，特別涉及一種限制功率晶體管(如絕緣柵雙極晶體管(IGBT))在開關過程中能耗的方法，尤其是當功率晶體管開通或關斷時通過控制瞬態電壓和瞬態電流來限制能耗。
【背景技術】
[0002]功率晶體管，例如IGBT或功率M0SFET，是一種主要應用于電子開關的器件。功率晶體管，比如IGBT，具有高效率以及快速開關能力。功率晶體管在導通或關斷時的瞬態性能對于操作性能是至關重要的。在功率晶體管的開通和關斷過程中，瞬態電壓和瞬態電流大大增強了設備的電磁干擾(EMI)信號，并使能量以熱量的形式散發，這負面影響了功率晶體管的效率。
[0003]功率晶體管導通過程中的能耗在此稱為Eon，功率晶體管關斷過程中的能耗在此稱為EJf。
[0004]包括功率晶體管的電源電路要求良好設計的驅動電路以使其在有效地驅動功率晶體管的同時使其能耗最小化。例如，歐洲專利申請號EP2306647的專利描述了一種開關器件的驅動電路，其中門極電阻用于調節半導體開關器件的開通和關斷速度，一個電容與該電阻并聯連接。 [0005]然而，EP2306647給出的方案具有以下缺點，即開通和關斷時間過快，導致不可控的瞬態性能。
【發明內容】
[0006]為了解決上述問題，根據本發明公開的【具體實施方式】，本發明提供了一種功率晶體管的開啟驅動電路，包括:
[0007]第一電路，所述第一電路包括互相并聯的電阻和電容，以及
[0008]第二電路，所述第二電路包括電阻，所述第二電路與所述第一電路串聯，
[0009]其中，所述第一電路的電阻的阻值控制所述功率晶體管的輸出電壓的上升率，所述第二電路控制所述功率晶體管的輸出瞬態電流，并且其中所述第一電路的電阻的阻值比所述第二電路的電阻的阻值大。
[0010]上述功率晶體管的開啟驅動電路的功率晶體管采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT )。
[0011]上述功率晶體管的開啟驅動電路的所述第一電路與所述第二電路之間設有由微處理器控制的開關。
[0012]本發明還提供了一種功率晶體管的關斷驅動電路，包括:
[0013]第一電路，所述第一電路包括與所述功率晶體管串聯的第一電阻和第二電阻，以及
[0014]第二電路，所述第二電路包括與所述第一電路中的第一電阻或第二電阻并聯的電容，[0015]其中所述第一電路控制所述功率晶體管的輸出電壓的上升率，所述第二電路控制所述功率晶體管的驅動電壓，并且與所述電容并聯的所述第一電阻或所述第二電阻的阻值比其它電阻的阻值大。
[0016]上述功率晶體管的關斷驅動電路還包括電容，所述電容設置在所述第一電阻和所述第二電阻形成的T型網絡中。
[0017]上述功率晶體管的關斷驅動電路的功率晶體管采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
[0018]本發明還提供了一種功率晶體管的開關電路，包括上述的任一開啟驅動電路以及上述的任一關斷驅動電路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面結合附圖進一步描述提議的電路:
[0020]圖1給出了一種半導體開關器件的開啟驅動電路實施例的示意圖；
[0021]圖2a和2b給出了圖1所示開啟驅動電路與另一驅動電路的的開關特性對比圖；
[0022]圖3給出了一種半導體開關器件的關斷驅動電路實施例的示意圖；
[0023]圖4給出圖3所示的關斷驅動電路的開關特性的示意圖；以及
[0024]圖5給出圖3所示的關斷驅動電路的開關特性的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]通過參照附圖示例說明【具體實施方式】，其中:
[0026]圖1中顯示了所述半導體開關器件4的開啟驅動電路2。所述開啟驅動電路2的輸入端用于連接電源6，開啟驅動電路2的輸出端連接所述半導體開關器件4的驅動端。所述半導體開關器件4的驅動電流可以由微處理器控制的開關8控制。來自微處理器的開啟信號大多數情況下需要電流放大器給半導體開關器件4的輸入端供電并開啟該半導體開關器件。這可以采用微處理器控制開關8來實現，比如一個功率MOSFET或圖1所示的一個門極驅動光耦。其電源電路具有供應+DC端子和-DC端子。
[0027]在圖1所示的實施例中，半導體開關器件4(即功率晶體管)是一種絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，包括接收驅動信號的門極G、發射極E和用于驅動負載Lltjad的集電極C。本文所提到的功率晶體管是指IGBT。然而，驅動電路可以采用其它功率晶體管，例如功率M0SFET。開啟驅動電路2包括第一電路20，所述第一電路包括互相并聯的電阻R_tMl和電容C_trol，以及包括電阻Re的第二電路22。所述第一電路20和第二電路22串聯在半導體開關器件4的驅動路徑中。圖1顯示微處理器控制開關8位于第一電路20和第二電路22之間。應該認識到，微處理器控制開關8也可選擇地位于如圖1所示的第一電路20之前。
[0028]IGBT的輸入端G可以由一可變電容表示，所述可變電容的電容值取決于工作電壓和瞬態階段，即當電流流經門極時，門極發射極電壓(veE)上升。當以存在的電感電流込開啟IGBT時，當VeE增加至超過所述半導體開關器件的門檻電壓時，集電極電流I。開始上升。集電極電流I。的上升率與門極端子的電壓變化率有關。當集電極電流I。達到電感負載電流込時，續流二極管Df開始關斷并且阻斷負載Lltjad兩端的電壓。阻斷電壓上升對于IGBT來說使集電極-發射極(Vce)電壓下降。IGBT門極和集電極(Ctx)之間的內部電容量必須通過灌入門極電流以允許電壓跌落。一般情況下，門極電流和開關的切換速度可以通過門極電阻(Re)控制。電阻Re的阻值上升，從而通過限制dVCE/dt來實現產品的可接受的EMI性能。這會增加開啟能量損耗E。!!。
[0029]Vce的快速變化會對電磁干擾(EMI)產生重大影響，比如傳導和輻射發射。描述的電路提供了一種方法，該方法允許采用小的門極電阻Re以使與電流上升有關的損耗最小化，同時可通過C_trol/R_trol電路控制整個或部分電壓跌落時間來控制dVce/dt。
[0030]如圖1所示，電容C—被用來存儲電荷來給IGBT供電，該IGBT采用最小的門極電阻Re (該電阻具有足夠的阻值以抑制不想要的振蕩)。電容Camtajl存儲的電荷不足以完全開啟IGBT，但可以使門極電壓VeE上升到一定水平，在該水平可使IGBT通過滿載電流。[0031 ] 與電容Camtrol并聯的電阻Ramtral在集電極電壓Vce跌落時可限制流入IGBT的電流，從而可降低下降率。可在整個電壓范圍或跌落時間的后面部分來降低dVra/dt。流經Ramtrol的電流要求能夠完全開啟IGBT，以確保低的導通損耗同時對Camtol再充電以為下一個開關周期準備。Re的值控制集電極電流IC的上升率，該上升率對開啟損耗Eon影響很大。Ic上升曲線越陡，開關損耗越小。Romtajl和Camtajl在開啟后控制Vra壓降。
[0032]至于開啟驅動電路2，所述開啟驅動電路2包括并聯的電阻Ramtrol和電容C。—，以及與電阻Rcmtajl及電容Camtajl串聯的電阻Re。這意味著初始電流將流經未充電的電容Ccrartral(最初如同短路)以及電阻Re。隨后，隨著電容Camtral完全充滿電，電流流經電阻Ramtrol和電阻Re。與電容Camtajl串聯的電阻Re的阻值小于與電容并聯的電阻Rtoltrol的阻值。例如，Rg的典型值是4.7歐姆，Rcontrol的阻值典型值是10歐姆，盡管Re和Ramtajl的實際值取決于特定功率晶體管和其它采用的元件。Re的值控制集電極電流L的上升率，該上升率對開啟損耗Eon影響很大。Ramtol的值控制著在集電極電壓Vra跌落時流入IGBT的電流從而降低下降率。
[0033]開啟損耗(Eon)可 以通過瞬時電壓和瞬時電流相乘來確定瞬時功率，然后和開關時間積分來確定。為了最小化開關損耗，期望能降低門極電阻從而允許電荷以增加的速率流入門極，從而提升電流上升率。這也有提供更多電荷以快速對Ce。放電的效果，從而增加dVCE/dto圖2a在上方顯示了一驅動電路的Vra和Ic,在下方顯示了驅動電路的Eon,該驅動電路包括第二電路Re但無第一電路20。圖2b在上方顯示了一驅動電路的Vra和I。，在下方顯示了 Eon，該驅動電路包括第二電路Re和第一電路20。
[0034]從圖2b可看出，在開啟驅動電路2上增加第一電路20會使Vra更快速下跌(結果在圖2a中顯示)。因此，開通開關損耗Eon的峰值和持續時間都被降低。
[0035]圖3給出了一關斷驅動電路3的實施例。圖3中與圖1相同的元件采用相同的標號。關斷驅動電路3包括一個網絡，該網絡包括與第一電阻Rl并聯的電容Cl，與半導體開關器件4的驅動路徑串聯的第二電阻R2，以及第二電容C2。因此，功率晶體管的關斷驅動電路3包括第一電路，該第一電路包括與功率晶體管的驅動路徑串聯的第一電阻Rl和第二電阻R2，以及第二電路，該第二電路包括電容Cl，該電容Cl與第一電路中的第一電阻Rl和第二電阻R2中的其中一個電阻并聯。關斷驅動電路3在微處理器發出關斷指令的瞬間通過快速對IGBT內部電容進行放電來控制功率晶體管的輸出電壓(Vce)的上升率。
[0036]Rl和R2的阻值選擇方法如下，即Rl的阻值大于R2的阻值，并被用來在電流開始下降來完成關斷過程時刻限制dVce/dt。
[0037]IGBT的關斷過程時間是有限的，在此期間能量以熱損耗的方式耗散。所提議的關斷驅動電路應該可以降低關斷時間從而可在不增加輻射發射的情況下減少關斷損耗。
[0038]可采用單個無源電容(圖3中的Cl)改善IGBT的關斷控制，該電容與關斷電阻Rl并聯，同時提供一可選電容C2以提聞精度。
[0039]圖3給出一種開啟驅動電路40的可能方式，該電路包括電阻R3和二極管D2來控制開啟過程中的門極電流。然而，也可采用另外一種開啟驅動電路，如圖1所示。
[0040]在關斷過程中，光耦8的驅動輸出被拉低到負值。電流將從IGBT的門極端子G流經R2、DURl和Cl。另外一路電流將從C2流經D1、Cl和Rl。
[0041]在開關瞬間，大電流將快速流經R2、D1和Cl，并對門極電容放電到一定的電壓值，該電壓值由Cl和C2之間的中點電壓確定，使Vce快速上升以減少功耗時間。
[0042]至于關斷驅動電路3，關斷驅動電路3包括與電容Cl并聯的電阻Rl以及與電阻Rl和電容Cl串聯的電阻R2。這意味著初始電流會流經電阻R2以及未充電電容Cl (最初接近短路)。隨后，隨著電容Cl被完全充電，電流流經電阻R2和電阻R1。與電容Cl串聯的電阻R2的阻值小于與電容Cl并聯的電阻Rl的阻值。例如，盡管R2和Rl的實際值取決于特定的功率晶體管和其它采用的元件，但其可能使用的典型值為:R2阻值為4.7歐姆，Rl阻值為10歐姆。R2的值控制發射極電流Ie的下降率，該下降率對關斷開關損耗EofT影響很大。Rl的值控制在集電極電壓Vra上升過程中流出IGBT的電流，從而降低上升率。
[0043]Cl被用來確保在Vce上升到+DC (電源正端)之前，流經電容的初始正電流減少到O或變負。這可以使電流流經R2和Rl (更高阻抗)來強制降低門極電流IG。該降低的門極電流保持一個低的DIc/dt，從而使寄生電感造成的過電壓最小化而不會增加輻射發射。
[0044]通過采用圖4(wVce-輻射發射)中的小波變換來識別輻射發射的峰值。這在Vce的峰值電壓超調處發生(如圖4所示)。
[0045]如圖3所示的關斷驅動電路3應該使功率晶體管4快速退出飽和。
[0046]圖5給出一正常化的Vce和Ic的例子。瞬時功率(Inst Power)損耗可以通過Vce乘以Ic獲得。從圖5可以看出大部分的關斷能量(Inst Power)在達到峰值電壓超調時已被耗散(大約在1650ns左右)。
[0047]這里每個電路的電阻和電容值采用經驗值。
[0048]本文討論的驅動電路可以更好地控制無線電頻率(RF)的發射，從而可以協助優化RF噪聲和開關時間及損耗之間的關系，并能控制功率晶體管輸出電壓的電壓超調和浪涌。驅動電路是采用無源器件的無源電路，而無需功率晶體管的輸出電壓或輸出電流的反饋。
【權利要求】
1.一種功率晶體管的開啟驅動電路，其特征在于，包括: 第一電路，所述第一電路包括互相并聯的電阻和電容，以及 第二電路，所述第二電路包括電阻，所述第二電路與所述第一電路串聯， 其中，所述第一電路的電阻的阻值控制所述功率晶體管的輸出電壓的上升率，所述第二電路控制所述功率晶體管的輸出瞬態電流，并且其中所述第一電路的電阻的阻值比所述第二電路的電阻的阻值大。
2.根據權利要求1所述的功率晶體管的開啟驅動電路，其特征在于，所述開啟驅動電路的功率晶體管采用絕緣柵雙極晶體管IGBT。
3.根據權利要求1或2所述的功率晶體管的開啟驅動電路，其特征在于，所述第一電路與所述第二電路之間設有由微處理器控制的開關。
4.一種功率晶體管的關斷驅動電路，其特征在于，包括: 第一電路，所述第一電路包括與所述功率晶體管串聯的第一電阻和第二電阻，以及 第二電路，所述第二電路包括與所述第一電路中的第一電阻或第二電阻并聯的電容， 其中，所述第一電路控制所述功率晶體管的輸出電壓的上升率，所述第二電路控制所述功率晶體管的驅動電壓，并且與所述電容并聯的所述第一電阻或所述第二電阻的阻值比其它電阻的阻值大。
5.根據權利要求4所述的功率晶體管的關斷驅動電路，其特征在于，所述關斷驅動電路還包括電容，所述電容設置在所述第一電阻和所述第二電阻形成的T型網絡中。
6.根據權利要求4或5所述的功率晶體管的關斷驅動電路，其特征在于，所述關斷驅動電路的功率晶體管采用絕緣柵雙極晶體管IGBT。
7.—種功率晶體管的開關電路，其特征在于，包括權利要求1到3中任一項所述的開啟驅動電路以及權利要求4到6中任一項所述的關斷驅動電路。
【文檔編號】H03K17/081GK104022764SQ201410073862
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2013年2月28日
【發明者】理查德·塞繆爾·吉布森 申請人:控制技術有限公司