专利名称：栅极驱动器装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于控制压控半导体开关的驱动器电路。本实用新型尤其涉及用 于根据来自于半导体开关的控制数据来产生脉宽调制信号以便于控制开关的栅极的驱动 器电路。
背景技术：
根据用于半导体部件的控制方法，向半导体部件提供脉宽调制信号，在该信号中， 部件的接通和关断脉冲由若干脉冲构成。通常，半导体部件的接通和关断一直由单个脉冲 来实现，即，通过将栅极电位关于发射极升高或降低到目标值以改变栅极的状态来实现。为 了更好地控制接通和关断事件，这些单独的脉冲可以由脉宽调制信号来代替。PWM信号允许考虑部件的状态改变中的不同相位以及使得要被作用的栅极的充电 状态比以前更好。对功率半导体部件的控制通常需要形成为受控部件的发射极电位的单独的电压 源。如果该辅助电压是双边的，则栅极可以由关于发射极的双边电压来控制，即，栅极在接 通时可以上升到关于发射极的正电位，相应地，在关断时，栅极电位可以关于发射极降低为负。在已知的调制技术中，在部件状态的单独改变通过PWM信号来实现的情况下，可 以借助于PWM信号、根据开关情况来设置栅极电压的平均值。此外，在已知的调制技术中， 高频PWM信号在控制电子装置的电位处产生。因此，该高频信号要被转移到受控开关部件 的浮动电位。高频信号穿过势垒的转移对所使用的分离部件的速率提出了要求。
实用新型内容因此，本实用新型的目的是提供能够解决以上问题的栅极驱动器。为了解决该目的，本发明的一个实施例提供了一种栅极驱动器装置，其被设置成 基于所产生的控制数据来控制半导体部件，其特征在于，所述栅极驱动器装置包括分离部 件，其被设置成接收用于控制所述半导体部件的所述控制数据，并将控制电位和受控开关 的电位彼此分离；驱动器部件，其被设置成从所述分离部件接收所述控制数据，并被设置在 所述受控开关的电位处，所述驱动器部件还被设置成在所述受控开关的电位处产生脉宽调 制信号，用于根据所述控制数据来控制开关。在本发明的一个优选实施例中，所述装置还包括可通过所述驱动器部件读取的存 储器，并且所述驱动器部件包括用于接收部件的集电极-发射极电压、发射极电流和/或温 度的输入端。在本发明的另一个优选实施例中，所述可通过所述驱动器部件读取的存储器被设 置接收根据集电极-发射极电压、发射极电流和/或温度的栅极电压指令，并根据所接收的 栅极指令来产生脉宽调制信号，用于控制所述半导体部件。在本发明的另一个优选实施例中，所述装置还包括驱动器电路，其被配置成接收由所述驱动器部件产生的所述脉宽调制信号，并产生相应的信号至其输出端。在本发明的另一个优选实施例中，所述驱动器部件的驱动器电路的输出端可通过 栅极电阻器连接到受控半导体部件的栅极。在本发明的另一个优选实施例中，所述驱动器部件被设置成在受控半导体部件的 发射极的电位处操作。本实用新型所基于的思想是，产生PWM信号的驱动器部件被设置到受控开关部件 的浮动电位，由此，仅控制数据需要被传送穿过势垒。穿过势垒的该控制数据的频率显著低 于PWM信号的频率，因此，要被使用的分离部件的速率不是关键因素。本实用新型的栅极驱动器的优点是提高的结构的成本效率，这是因为能够转移较 低频率的部件足以作为分离部件。
在下文中将参考附图对本实用新型进行更加详细的描述，其中图1是本实用新型的实施例的简化图；以及图2示出了开关期间的栅极电压的曲线形状。
具体实施方式
图1示出了本实用新型的简化电路图。在图1中，要由栅极来控制的半导体部件 是IGBT (绝缘栅双极晶体管)。与IGBT的Sl相关联的是，还存在分布电容Ccg和Cge，Ccg 表示集电极和栅极之间的电容，Cge表示栅极和发射极之间的电容。如通过附图标记所示， 电容Ccg具有变化的特性。栅极电阻器Rg按已知方式连接到IGBT的栅极。图1还示出了由通过脉冲发生器2产生的脉冲信号形成的辅助电压Vcc和Vee。 脉冲发生器的次级侧具有用于对次级侧的电压进行整流的二极管整流器，以及串联连接的 电容器。该串联连接的中点耦合到受控IGBT的发射极E。脉冲发生器的次级侧的上部电容 器两端的电压形成正的辅助电压Vcc，下部电容器两端的电压形成负的辅助电压Vee。IGBT 的发射极或辅助发射极E形成浮动电压的参考点GS，辅助电压因此允许关于发射极来产生 负电压和正电压。所产生的辅助电压被用作用于驱动器电路Cl和驱动器部件UP的辅助电压。原理 上为放大器电路的驱动器电路在需要时对来自驱动器部件uP的、适于控制栅极的信号进 行放大。此外，驱动器电路对开关的功率供应能力进行增强以至于开关部件的栅极电荷以 足够的速率变化。通常为光分离器的分离部件ICl从调制器接收控制信号等，并将该信号 穿过势垒PB而转移到浮动电位GS。换句话说，分离部件ICl将至驱动器部件的接通或关断 控制转移到受控部件的发射极电位。提供0N/0FF类型的控制数据的控制电子装置通常被 与变频器相关地设置成在地电位或者负的中间电压电路的电位处。因此，驱动器部件在浮动电位处产生脉宽调制信号。该PWM信号通过驱动器电路 来放大，并通过栅极电阻器Rg而被进一步提供给部件的栅极。本实用新型的栅极驱动器或与之相关联的可读存储器包含用于存储于其中的 栅极电压的指导值。这些栅极电压在使用栅极驱动器之前被确定和存储，针对操作模式 (例如接通和关断)中的至少一种变化的栅极电压被确定和存储。此外，用于软关断和其它特殊情况的栅极电压可以被存储。这些指导值表示改变操作模式的最佳方式。在图1 中，指导值被存储在位于驱动器部件中的数据库中，该数据库包含栅极电压作为用于接通 (TurnOn(l，u，T))、关断(TurnOff (1，u，T))和软关断(SoftTurnOff)的典型数据。在图 1 的实施例中，这些指导值已经被确定并存储为半导体电流、电压和温度的函数。图1中的驱动器部件UP接收栅极电位处的0N/0FF信息用于改变受控开关的状 态。驱动器部件uP包含读取存储器所需的装置，并且该驱动器部件uP选择正确的控制数 据来产生需要的PWM信号。驱动器部件还包含在发生故障状态时用于解释并可以下发用于 器件的软关断(SoftTurnOff)的命令的装置。关于部件电流igs、电压ugs和/或温度Tgs 的最近测量或另外确定的数据被用于从数据库中获得合适的栅极电压。图1示出了要进行 开关的部件的温度测量电路C3、集电极电流测量电路C2以及集电极-发射极电压测量电路 C4。这些测量电路的结果被变换成电压电平并进一步被提供给驱动器部件uP。通过电流测量产生的电流以及因此在表中使用的电流是开关之前的交流电的大 小，例如，电流在开关之后流过部件或被阻止流过部件。该电流例如通过分流电阻器或在次 级侧配备有电阻器的变压器来测量。代表所测量的电流的该电压通过耦合成适于驱动器部 件的运算放大器来变换。以类似的方式来测量和改变开关Si的温度及其待切换的电压。用 于测量温度的传感器通常为集成在部件外壳中的NTC或PTC电阻器。电压例如在开关Sl 处于非导通状态时通过集电极C和发射极E之间的电阻器分布来测量。测量电路可以连续 操作，因为逻辑电路基于导通状态来提供其读取的时序。本实用新型的栅极驱动器产生用于栅极电阻器Rg的脉宽调制电压，该电阻器Rg 耦合于受控部件的栅极。脉宽调制电压的脉冲比依赖于存储用于栅极电压的指导值。驱动器部件UP基于指导值来产生脉宽调制信号。PWM电压按已知方式由随后的脉 冲形成，这些脉冲的平均值形成平均电压，其大小对应于希望的电压。所产生的PWM电压被提供给栅极电阻器，其与部件电容Ccg和Cge —起形成低通 滤波器对PWM信号进行滤波。部件栅极因此接收与栅极电压的指导值对应的低通PWM信号。 所形成的低通滤波器因此对PWM信号进行滤波，由此，栅极具有基本恒定的电压。在本实用新型的栅极驱动器中，栅极电压的指导值优选地直接存储为脉冲比。当 操作状态要被改变时，驱动器部件产生脉宽调制信号至其输出端，可基于测量或估计的电 流、电压和/或温度直接从表中读取信号的脉冲比。收集的数据优选地存储为电流、电压和 温度的函数。数据还可以被存储为仅电流和电压的函数。此外，即使数据被存储为电流、电 压和温度的函数，也可以仅通过测量或估计的电流和电压来使用数据库。为了对开关进行优化，所存储的脉冲比以从开关时刻的开始的特定时间间隔来存 储。例如，时间段to-tl，脉冲比0. 95 ；时间段tl-t2，脉冲比0. 50 ；时间段t2_t3，脉冲比 0.80等。为了将表保持得小，优选地在离散时间段存储数据。当读取数据库时，从存储器中 选择最匹配的读数用于确定脉冲比和脉冲比的期间。如上所述，针对接通和关断两者来存储值。此外，所存储的栅极电压指导值还可以 包含用于故障操作的指导值，用以将部件安全地引导至非导通状态。例如，当基于开关电流 和电压检测到短路，则驱动器部件可以通过使用单独的软关断等来指导开关，其中，已经考 虑了有关故障情况的特征。任何可想到的控制操作都可以被存储在可由驱动器部件读取的 存储器中。[0031]图2示出了在具有感应部件负载的情况下在IGBT部件接通期间栅极-发射极的 电压实例。在时间段tl期间，栅极电压从负的辅助电压上升到电压Vgth，其是接通的阈值 电压。在时间段tl期间，集电极电流以及集电极-发射极电压不变，并且该时间段的长度 要被最小化以减少开关延时。图2还示出了脉冲比D，其是针对部件的栅极的。脉冲比D被 确定为D = tcc/T，其中tcc为时间段ti期间具有电压Vcc的时间。如图2所示，在时间段 tl期间D大约为1。在时间段t2期间，按照跨导所描述的那样，IGBT电流随栅极电压而变化。图2假 设栅极电压按需超出了与倒相器耦合相对的分支中的二极管回波峰值。在该时间期间控制 电流的变化速率(di/dt)是有利的。在时间段t2期间，D的值保持为小于1。在时间段t3期间，栅极电流对变化的电容Ccg充电，栅极电压保持在值VgmiIler, 其依赖于部件电流。在时间段t3期间，集电极-发射极电压下降的速率可以利用栅极电压 来控制。脉冲比保持为小于1。在时间间隔t4期间，栅极电压上升到全辅助电压Vcc，该时间段的长度优选地被 最小化，因此D的值基本保持为1。由于高频PWM信号在待切换的部件Sl的发射极电位处产生，因此高频PWM信号不 需要转移通过电位的分离势垒。实际上，本实用新型的解决方案能够实现甚至10纳秒的脉 宽，这允许精确优化曲线形式。图2没有提供用于脉冲比D或用于时间段的精确值。其原因是，每种部件类型需 要具体的控制。还可以注意到，虽然图2中的操作被划分为4个时间段，但是这并不意味时 间段中的恒定脉宽。还可以想到，驱动器电路向更高的控制系统通知它的状态，以及特别是部件被置 于非导通状态而不顾更高的控制层的原因。例如，由于短路电流而形成的关于关断的故障 信息因此被转移到更高的控制层。由于在本实用新型的解决方案中，半导体部件的控制数据被安排在表中，所以可 以通过简单的方式部件专有地改变控制数据。明显的还有，本实用新型的控制方法可以应 用到IGBT之外的其它压控部件。本领域技术人员将发现，显然随着技术的进步，本实用新型的基本思想可以通过 各种方式来实现。本实用新型及其实施例因此并不局限于上述实例，而是可以在权利要求 的范围内变化。附图中使用的附图标记Si:受控 IGBTCcg =IGBT集电极和栅极之间的电容(Miller电容)Cge IGBT栅极和发射极之间的电容Rg=IGBT栅极电阻器GS 次级开关侧(IGBT辅助发射极)的参考电位C/E/G IGBT的集电极/发射极/栅极Ic 通过IGBT的电流(集电极电流)Cl 线性放大器电路(驱动器电路)C2 用于测量电流并将其转换成电压信号的电路[0050]C3 用于测量温度并将其转换成电压信号的电路C4 用于测量电压并将其转换成另一个电压电平的电路uP 可编程数字驱动器电路(微处理器)，(驱动器部件)igs 次级侧的参考电位处的电流信号Tgs 次级侧的参考电位处的温度信号Ugs 次级侧的参考电位处的电压信号Vcc 用于栅极控制电子装置的正辅助信号(IGBT关断电压)，例如+15VVee 用于栅极控制电子装置的负辅助信号(IGBT关断电压)，例如-15VTl 用于次级侧的功率供应分离的部件(变压器)ICl 用于控制信号分离的部件(光分离器)0N/0FF 在控制电子装置电位处的IGBT控制信号PB 控制电子装置和次级侧之间的势垒GP 用于控制电子装置的参考电位(UDC或GND)Vcp 用于控制电子装置的辅助电压Vps 在控制电子装置电位处的辅助电源电压
权利要求1.一种栅极驱动器装置，其被设置成基于所产生的控制数据来控制半导体部件(Si)， 其特征在于，所述栅极驱动器装置包括分离部件(ICl)，其被设置成接收用于控制所述半导体部件的所述控制数据，并将控制 电位和受控开关的电位彼此分离；驱动器部件(UP)，其被设置成从所述分离部件接收所述控制数据，并被设置在所述受 控开关的电位处，所述驱动器部件(UP)还被设置成在所述受控开关的电位处产生脉宽调 制信号，用于根据所述控制数据来控制开关。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括可通过所述驱动器部件 读取的存储器，并且所述驱动器部件包括用于接收部件的集电极-发射极电压(ugs)、发射 极电流(igs)和/或温度(Tgs)的输入端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可通过所述驱动器部件读取的存储 器被设置接收根据集电极-发射极电压(Ugs)、发射极电流(igs)和/或温度(Tgs)的栅极 电压指令，并根据所接收的栅极指令来产生脉宽调制信号，用于控制所述半导体部件。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括驱动器电路(Cl)，其被配 置成接收由所述驱动器部件(uP)产生的所述脉宽调制信号，并产生相应的信号至其输出 端。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述驱动器部件的驱动器电路(Cl)的输 出端可通过栅极电阻器(Rg)连接到受控半导体部件的栅极(G)。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述驱动器部件(uP) 被设置成在受控半导体部件的发射极(E)的电位(GQ处操作。
专利摘要本实用新型公开了一种栅极驱动器装置，其被设置成基于所产生的控制数据来控制半导体部件(S1)，该栅极驱动器装置包括分离部件(IC1)，其被设置成接收用于控制半导体部件的控制数据，并将控制电位和受控开关的电位彼此分离；以及驱动器部件(uP)，其被设置成从分离部件接收控制数据，并被设置在受控开关的电位处，该驱动器部件(uP)还被设置成在所述受控开关的电位处产生脉宽调制信号，用于根据控制数据来控制开关。
文档编号H03K17/567GK201887737SQ20102028886
公开日2011年6月29日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年5月25日
发明者马蒂·莱蒂宁 申请人:Abb公司