柵極驅動電路以及用于控制功率晶體管的方法
【專利說明】
[0001]發明描述
技術領域
[0002]本發明涉及用于驅動功率晶體管的柵極驅動電路。本發明還涉及包括柵極驅動電路和功率晶體管的功率變換器。本發明還涉及包括功率變換器的功率模塊以及控制功率晶體管的方法。
【背景技術】
[0003]電機控制可能具有廣泛的應用。除其他外，該應用可能包括，電動汽車的電動機，而且還包括用于住宅用洗衣機、風扇、手持電動工具、工業電機驅動器等等的電動機。
[0004]感應或異步電機通常被用于上述應用中。感應或異步電機是AC電機，其中通過在靜態繞組內生成的磁場由旋轉繞組內的電磁感應而感應電流。感應或異步電機不需要用于將旋轉繞組電連接到靜態繞組的滑動電接觸件，從而簡化了感應或異步電機的構造并提高了可靠性。
[0005]實惠、可靠的功率晶體管(例如，功率M0SFET和IGBT)以及能夠驅動這種感應或異步電機的模塊的可用性是上述應用的重要設計目標。
[0006]通常情況下，柵極驅動電路控制功率晶體管的柵極。IGB晶體管是可靠的功率晶體管，其通常具有若干微庫侖的柵極電荷。為了快速接通具有低損耗的IGB晶體管，必須施加若干安培電流以控制柵極。IGB晶體管的開關損耗依賴于提供全導電性的柵極電荷以多快速度被饋送給組件柵極或從其移除。處于完全導通狀態的IGB晶體管的柵極電壓通常為+15V的量級。低于+15V的柵極電壓可能導致過度的導通損耗，而高于+15V的柵極電壓可能導致IGB晶體管的損壞。IGB晶體管通常有內部柵極接觸電阻，通過該電阻可以生成電壓降。因此，柵極驅動電路必須提供足夠高的輸出電壓以允許通過內部柵極接觸電阻來生成電流。
[0007]在IGB晶體管的柵極端子強加+15V可以是保證適當的柵極電壓達到完全導通狀態的直接解決方案。內部柵極接觸電阻和內部柵極電容提供了確定IGB晶體管的開關速度的RC常數。在大約4倍RC常數之后，內部柵極端子處的電壓達到+15V。對于大多數應用，這種開關速度可能是不可接受的。
[0008]EP1596496A1提供了一種加快IGB晶體管接通的柵極驅動電路。該柵極驅動電路被提供有特定升壓電容器，它是通過與柵極接觸電阻串聯而添加的。在切斷IGB晶體管期間，升壓電容器被充電到受到與升壓電容器并聯放置的齊納二極管限制的電壓。在開啟IGB晶體管期間，柵極使用了升壓電容器內以及跨越柵極接觸電阻而建立的電壓上的先前存儲的電荷，以快速增加柵極電荷。雖然EP1596496A1提供了一種加快IGB晶體管接通的有效解決方案，但是此解決方案的問題之一是，跨越升壓電容器的電荷可能不能非常精確地控制。根據EP1596496A1，控制通過跨越升壓電容器的電荷的唯一方法是通過控制升壓電容相對于受控IGBT柵極電荷的正確尺寸。只有在這種情況下，當IGBT的柵極電壓增加到到+15V的時候，存儲在升壓電容器的能量才可能會耗盡。
【發明內容】
[0009]正如附屬權利要求中所描述的，本發明提供了用于驅動功率晶體管的柵極端子的柵極驅動電路、功率變換器、功率模塊以及一種控制功率晶體管的方法。
[0010]本發明的具體實施例在隨附權利要求中被陳述。
[0011]根據下文中描述的實施例，本發明的這些或其它方面將會很容易理解并且被闡述。
【附圖說明】
[0012]根據附圖，僅僅通過舉例的方式，本發明的進一步細節、方面和實施例將被描述。在附圖中，相似的參考符號被用于表示相同或功能相似的元素。為了簡便以及清晰，附圖中的元素不一定按比例繪制。
[0013]圖1示意性地顯示了柵極驅動電路的一個實施例的一個例子。
[0014]圖2示意性地顯示了柵極驅動電路的一個實施例的另一個例子。
[0015]圖3示意性地顯示了柵極驅動電路的一個實施例的另一個例子。
[0016]圖4示意性地顯示了柵極驅動電路的一個實施例的另一個例子。
[0017]圖5示意性地顯示了包括柵極驅動電路和兩個功率晶體管的功率變換器。
[0018]圖6示意性地顯示了用于控制功率晶體管的一種方法的時間圖。
[0019]附圖中的元素說明是為了簡便以及清晰，不一定按比例繪制。在附圖中類似的參考符號表示相同的元素。
【具體實施方式】
[0020]圖1示意性地顯示了柵極驅動電路10a的一個實施例的一個例子。柵極驅動電路10a被用于驅動功率晶體管12a的柵極端子G。圖1的功率晶體管12a是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)，其具有柵極端子G、發射極端子E和集電極端子C。替選地，功率晶體管12a可以是FET晶體管，特別是N溝道FET晶體管，在這種情況下，發射極端子E是源極端子而集電極端子C是漏極端子。柵極驅動電路10a包括第一電容器C1、第一開關SW1、測量電路5和生成參考電壓Vref的參考源6。第一電容器C1的第一端子T11電親合于功率晶體管12a的柵極端子G。第一開關SW1被布置在第一電容器C1的第二端子T21和第一預定電壓Vpl之間，以在開啟的時候將第一電容器C1的第二端子T21電親合于第一預定電壓Vpl。測量電路5被用于測量跨越第一電容器C1的差分電壓。參考電壓Vref可以被測量電路5使用，以測量跨越第一電容器C1的差分電壓。柵極驅動電路10a被配置成預充電第一電容器C1，以獲得跨越第一電容器C1的第二預定電壓Vp2。柵極驅動電路10a還被配置成將第一開關SW1布置在開啟狀態，以接通功率晶體管12a。當功率晶體管12a被接通的時候，功率晶體管12a處于導通狀態，即允許大的電流流過并且在由功率晶體管12a的集電極端子C和發射極端子E形成的主導通路徑中具有低損耗。當第一開關SW1被布置在開啟狀態的時候，第一預定電壓Vpl電親合于第一電容器Cl的第二端子T21。由于第一電容器C1被預充電在第二預定電壓Vp2，所以功率晶體管12a的柵極端子G位于對應于第一預定電壓Vpl減去第二預定電壓Vp2的電壓。如上述在【背景技術】中所描述的，如果功率晶體管12a是IGBT，那么柵極端子G處用于接通IGBT所需的電壓可以大約是+15V。高于+15V的電壓可能破壞IGBT，低于+15V的電壓在導通狀態可能增加IGBT損耗。當接通第一開關SW1的時候，在柵極端子G處生成足夠的電壓以接通IGBT。此外，電荷轉移開始從第一電容器C1流動到IGBT的柵極端子G，以將IGBT帶入導通狀態。在接通功率晶體管12a期間，測量電路5監視跨越第一電容器C1的差分電壓。當到柵極端子G的電荷轉移使得跨越第一電容器C1的差分電壓等于參考電壓Vref的時候，測量電路5被配置為將第一開關SW1布置在關斷狀態。以這種方式，從第一電容器C1到功率晶體管12a的柵極端子G的電荷轉移被停止，并且功率晶體管12a(例如，IGBT)被帶到導通狀態。換句話說，為了接通圖1的IGBT，需要給柵極電容器Cg充電。經由在第一開關SW1的導通狀態期間第一電容器C1的電荷轉移(其迫使第一預定電壓Vpl到第一電容器C1的第二端子T21)，來將IGBT的柵極電容器Cg充電。當從第一電容器C1的電荷轉移對應于等于參考電壓Vref的、跨越第一電容器C1的差分電壓的時候，第一開關SW1被布置處于關斷狀態并且IGBT處于導通狀態。以這種方式，從第一電容器C1到IGBT的柵極電容器Cg的電荷轉移可以精確地控制，并且精確的電壓(例如，對于IGBT是+15V)可以在IGBT的柵極端子G處生成。參考電壓Vref因此是從第一電容器C1到IGBT的柵極電容器Cg的電荷轉移的一種測量。圖1的IGBT通常是具有預定設計參數的分立組件。因此，IGBT的柵極電容器Cg也是已知的預定設計參數。第一電容器C1例如可以是位于柵極驅動電路10a的一部分之外的表面安裝裝置(即SMD)，它可以被集成在芯片上。第一電容器C1可能具有10uF的電容值，該值可以太大而不能被集成在芯片上。可以被集成在芯片上的柵極驅動電路10a的那部分例如可能包括測量電路5和第一開關SW5。第一電容器C1因此也是已知的設計組件。跨越第一電容器C1的差分電壓生成的電荷等于:
[0021]Q = AV.C1，
[0022]其中Q是生成的電荷，并且AV是跨越第一電容器C1的差分電壓。當跨越第一電容器C1的差分電壓AV等于參考電壓Vref的時候，第一開關SW1被布置在關斷位置并且等量的電荷Q被轉移到柵極電容器Cg:
[0023]Q = (AVI).Cg,
[0024]其中Q是被轉移到柵極電容器Cg的電荷，并且Δ VI是跨越柵極電容器Cg的差分電壓，該差分電壓是跨越功率晶體管12a的柵極端子G和發射極端子E的電壓。
[0025]通過知道第一電容器C1和柵極電容器Cg以及通過到目前為止所描述的控制跨越第一電容器C1的差分電壓Λν，跨越柵極電容器Cg的差分電壓AVi (即IGBT的柵極-發射極電壓)被精確地確定。跨越柵極電容器Cg的差分電壓AVI例如可以精確的是在導通狀態IGBT所需的+15V。
[0026]在根據本發明的另一個例子中，第二預定電壓Vp2可以依賴于參考電壓。正如所說的，測量電路5可能使用參考電壓Vref以測量跨越第一電容器Cl的差分電壓。如果第二預定電壓Vp2依賴于參考電壓Vref，那么跨越第一電容器C1的差分電壓相對于第一電容器C1被預充電到的第二預定電壓Vp2變化的等于參考電壓Vref的量，可以相關于參考電壓Vref而被直接檢測。以這種方式，測量電路5可以被簡化。測量電路5例如可以是差分比較器，其比較被測量電壓，即跨越第一電容器C1的差分電壓與參考電壓Vref。
[0027]在根據本發明的另一個例子中，第二預定電壓Vp2可以是升壓電壓Vboost和參考電壓Vref的線性組合。升壓電壓Vboost例如可以是10V。參考電壓Vref可能有230mV的值。第二預定電壓Vp2可以是升壓電壓Vboost和參考電壓Vref之間的差(例如，10V減去230mV)。第二預定電壓Vp2可以因此