專利名稱：用于絕緣柵雙極晶體管的驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于IGBT的驅動電路，這種電路在切換絕緣柵雙極晶體管(下面縮寫為“IGBT”)時，具有在較低的dv/dt(電壓的變化速率)模式和較高的dv/dt模式(也稱為“正常模式”)中選出一個模式，以減小高頻漏電流的功能。
圖7示出一種上述用于IGBT的驅動電路的已知實例。在圖7中，驅動電路包括用于產生正向偏置電流的電源1、用于產生反向偏置電流的電源2、用于使IGBT正向偏置的MOS場效應晶體管(MOSFET)3、用于使IGBT反向偏置的MOSFET 4、正向偏置MOSFET的柵極電阻器5、反向偏置MOSFET的柵極電阻器6、用于限制正向偏置電流的柵極電阻器7、用于限制反向偏置電流的柵極電阻器8、IGBT 9、IGBT 9的柵極/發射極電阻器10，及驅動信號輸入部分11。
為了接通上述電路中的IGBT 9，把接通(ON)信號輸入至驅動信號輸入部分11，由此接通MOSFET 3，而電壓從正向偏置電源1經過MOSFET 3和電阻器7、10提供給IGBT 9，從而對IGBT 9的柵極電容器(未示出)充電。
另一方面，為了斷開IGBT 9，將一個斷開(OFF)信號輸入至驅動信號輸入部分11，由此接通MOSFET 4，從而IGBT 9的柵極電容器通過MOSFET 4、電阻器8和其它元件放電。
圖7中所示的已知的驅動電路不具有從外部改變IGBT的dv/dt的功能。因此，為了改變電壓變化的速率dv/dt，必需個別地控制或者調整圖7中所示的正向偏置電阻器7和反向偏置電阻器8的電阻值。
在現有技術中已經知道，電壓改變的速率dv/dt可以通過改變IGBT的柵極電容器充電和放電的速率或者速度而變化。由于在接通時柵極電容器的電容不同于在斷開時柵極電容器的電容，因此在圖7的電路中的正向偏置電阻器7和反向偏置電阻器8的電阻值必需個別地調整，以應付這種差別。但是，電阻值的調整需要既費又時，復雜的程序，因此dv/dt不能容易地改變。這也使得難于減小高頻漏電流。
因此本發明的一個目的是提供一種用于IGBT的驅動電路，其中，可以容易地改變電壓變化的速率dv/dt，以減小高頻漏電流。
為了達到上述目的，根據本發明提供了一種用于驅動IGBT的驅動電路，所述電路包括第一電源，用于產生正向偏置電流；第二電源，用于產生反向偏置電流；第一半導體開關，用于使IGBT正向偏置；第二半導體開關，用于使IGBT反向偏置；第一電阻器，用于限制正向偏置電流；第二電阻器，用于限制反向偏置電流；電容器，該電容器具有連接在用于限制正向偏置電流的所述第一電阻器和用于限制反向偏置電流的第二電阻器的公共節點與IGBT的柵極之間的第一端；模式切換半導體開關，它具有連接到電容器的第二端的第一終端和連接到第一電源和第二電源的公共節點的第二端。接通和斷開模式切換半導體開關，從而產生電壓變化的速率，對于接通和斷開IGBT而獨立地選擇該速度。
在本發明的一個最佳實施例中，驅動電路還包括連接在電容器的第一端和IGBT的柵極之間的第三電阻器。這個驅動電路可以再包括與第三電阻器并聯的二極管。
圖5(a)和5(b)示出IGBT的一個等效電路。
如圖5(a)中所示，IGBT是一個組合元件，包括一個場效應晶體管(FET)和一個晶體管。更具體地說，IGBT如此地構成，從而FET的漏極(D)和源極(S)接在晶體管的基極(B)和發射極(E)之間。如圖5(b)中所示，FET包括電容器Cg和用于產生用FET的柵極和源極之間的互導gmt和Vgs的乘積表示的電流的電流源、而晶體管包括具有互導gbe的電阻器和用于產生由晶體管的基極和發射極之間的互導gmt和電壓Vbe的乘積表示的電流的電流源。
IGBT的接通和斷開特性如圖6的曲線圖所示由柵極電荷特性決定。下面將描述在IGBT的接通和斷開的過程中dv/dt升高的方式。
當將正向偏置電流施加于IGBT的柵極以接通晶體管時，如圖6中的VGE表示的柵極和發射極之間的電壓從起始點(0)變至點A，然后至B。在這個過程中，如圖6中的VCE表示的集電極和發射極之間的電壓從點E變至點F。這一變化提供了在接通期間的dv/dt。
另一方面，當將反向偏置電流施加于IGBT的柵極以斷開晶體管時，電壓VGE按照順序從點D變至點C、點B和點A，而電壓VCE從點F變至點E，如圖6中所示。這一變化提供了斷開期間的dv/dt。因此，可以通過減低電壓VCE的變化速率來減小dv/dt。要注意電壓VCE的變化大致上和電壓VGE的變化是同步的。
另外，電壓VGE的變化是通過對柵極電容器(圖5中的Cg)充電或放電這種方式決定的。因此，為了改變電壓(VGE)的變化速率，可以使用一個包含電容器和半導體開關的外部電路，以改變充電和放電的時間常數，由此提供柵極驅動電路，該電路在從較小的dv/dt模式和正常模式中選出的一種模式下工作。
將參照較佳實施例及附圖更加詳細地描述本發明，在這些附圖中
圖1是示出本發明的第一實施例的電路圖；圖2(a)到2(d)是解釋圖1的實施例的工作的圖；圖3是示出本發明的第二實施例的電路圖；圖4是示出本發明的第三實施例的電路圖；圖5(a)和5(b)是示出IGBT的等效電路的電路圖；圖6是用于解釋IGBT的柵極電荷特性的曲線圖；及圖7是示出一種已知的IGBT的驅動電路例子的電路圖。
圖1是本發明的第一實施例的電路圖。
從圖1顯見，根據本發明的用于IGBT的驅動電路是通過將模式切換信號輸入部分12、電容器13、模式切換MOSFET 14、及模式切換MOSFET 14的柵極電阻器15加到如圖7所示的已知電路上而得到的。更具體地說，電容器13的一端連接在正向偏置柵極電阻器7和反向偏置柵極電阻器的公共點或者節點與IGBT的柵極電阻器的連接點之間，而電容器13的另一終端連接到模式切換MOSFET 14的一端。模式切換MOSFET 14的另一端連接到正向偏置電源1和反向偏置電源2的公共點或者節點。用于切換模式的MOSFET 14可以由其它類型的半導體開關替代。
按照上述的安排，當模式切換MOSFET 14處于OFF狀態時，IGBT驅動電路以和圖7的已知的例子相同的方式工作。當某個信號輸入至模式切換信號輸入部分12以接通MOSFET 14時，電容器13和位于IGBT 9的柵極和發射極之間的電容器Cg(如圖5(b)中所示)并聯，這樣可以改變IGBT 9的接通/斷開過程中柵極充電和放電的時間常數(T＝CR)(即，時間常數可以比圖7中所示的已知的例子的時間常數更大)。結果，可以改變IGBT 9在接通/斷開過程中電壓的變化速率dv/dt。因此，IGBT 9可以在較高的dv/dt模式(正常模式)和較小的dv/dt模式中選出的一種模式下工作。
現在將參照圖2解釋圖1的電路的工作。
當將如圖2(a)所示的表示較高的dv/dt模式的模式切換信號施加于模式切換信號輸入部分12，以建立較高的dv/dt模式，并將圖2(b)所示的PWM信號形式的ON信號施加于驅動信號輸入部分11，以接通IGBT時，IGBT 9的柵極電壓VGE隨一次延時增加，如圖2(c)中所示。在此過程中，如果柵極電壓VGE從點A變至點B，圖2(d)中所示的收集極和發射極之間的電壓VCE從點E變至點F，如上述參照圖6的解釋那樣。點E和點F之間的電壓的變化量除以變化所需的時間，從而提供了IGBT的接通過程中的dv/dt。
如果施加PWM信號形式的OFF信號，以在施加了某個信號之后斷開IGBT9而建立較低的dv/dt模式，柵極電壓VGE隨一次延時減少，如圖2(c)中所示。在此過程中，如果柵極電壓VGE從點B變至點A，則電壓VCE從點F變至點E，如上參照圖6所示。點E和點F之間的電壓的變化量除以變化所需的時間，從而提供IGBT接通過程中的dv/dt。
圖3是示出本發明的第二實施例的電路圖。
第二實施例和圖1的第一實施例的不同之處在于，將另一個電阻器16連接在電容器B的一端和IGBT 9的柵極電阻器之間。采用這種結構，在IGBT 9的接通/斷開過程中的充電和放電時間常數可以如要求的那樣變化。
圖4是示出本發明的第三實施例的電路圖。
這個實施例是圖3的第二實施例的修改例，它和第二實施例的不同之處在于二極管17和柵極電阻器9并聯。采用這種結構，在接通/斷開過程中的充電和放電時間常數可以在一個比圖3的實施例的更大的范圍內改變，因為，特別地，在斷開過程中，由于有二極管17電流可以繞過電阻器16。在這種情況下，可以在更為寬廣的范圍中選出接通/斷開過程中電壓變化的速率dv/dt，即可以擴大設置dv/dt的范圍。
根據本發明，通過一個開關，可以將IGBT的柵極充電和放電的時間常數變至一適當的值，而且由此IGBT驅動電路可以容易的在較小的dv/dt模式和正常模式之間切換。
權利要求
1.一種用于驅動IGBT的驅動電路，其特征在于包含第一電源，用于產生正向偏置電流；第二電源，用于產生反向偏置電流；第一半導體開關，用于使IGBT正向偏置；第二半導體開關，用于使IGBT反向偏置；第一電阻器，用于限制正向偏置電流；第二電阻器，用于限制反向偏置電流；電容器，所述電容器的第一端連接在用于限制正向偏置電流的第一電阻器和用于限制反向偏置電流的第二電阻器的公共節點與IGBT的柵極之間；模式切換半導體開關，所述開關的第一端連接到所述電容器的第二端，而所述開關的第二端連接到所述第一電源和所述第二電源的公共節點，所述模式切換半導體開關被接通和斷開，以建立電壓的變化速率，所述速率被獨立地選出，用于IGBT的接通和斷開。
2.如權利要求1所述的驅動電路，其特征在于還包含連接在所述電容器的第一端和IGBT的柵極之間的第三電阻器。
3.如權利要求2所述的驅動電路，其特征在于還包含和所述第三電阻器并聯的二極管。
全文摘要
本發明提供了一種用于驅動IGBT的驅動電路,這種電路包含正向偏置電源、反向偏置電源、正向偏置半導體開關、反向偏置半導體開關、第一電阻器和第二電阻器。電容器的一端連接在第一電阻器和第二電阻器的公共節點與IGBT的柵極之間。工作中,模式切換半導體開關被接通和斷開,以建立一給定的電壓變化速率,獨立地選出這個速率,用于IGBT的接通和斷開。
文檔編號H03K17/04GK1199275SQ98107900
公開日1998年11月18日 申請日期1998年5月8日 優先權日1997年5月8日
發明者石井新一 申請人:富士電機株式會社