用于功率半导体器件的栅极驱动装置的制作方法

本发明总体涉及一种用于功率半导体器件的栅极驱动装置，更具体而言，涉及这样一种栅极驱动装置：其能够基于从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)的电流而减小连接至功率半导体器件的栅极的断开电阻的大小，从而减小功率半导体器件的断开损耗，并且提高效率。

背景技术：

随着对于解决全球变暖和环境污染的问题的兴趣的增加，已致力于能够减小环境污染的环保车辆的研究和开发。由此，环保车辆的市场逐渐扩张。其示例包括电动车辆、混合动力车辆和插电式混合动力车辆，这些车辆中的每个使用电动机以利用电能来产生驱动力，从而取代通过燃烧化石燃料来产生驱动力并且因此向环境释放污染物的传统内燃机。

这些车辆中的每个需要逆变器，所述逆变器用于将存储在电池中的直流电力转变为交流电以便驱动向车辆的车轮供应电力的电动机。逆变器包括多个功率半导体器件和栅极驱动装置，所述多个功率半导体器件将直流电力转变为交流电，而所述栅极驱动装置将栅极驱动信号提供至功率半导体器件中的每个的栅极以用于执行功率半导体器件的接通/断开控制。

一般而言，从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至发射极(源极)的电流的大小具有很宽的范围。因此，常规的栅极驱动装置确定在功率半导体器件的栅极和地之间设置的断开电阻的大小，其中，用于断开功率半导体器件的栅极驱动信号输入至栅极。

常规上，因为断开电阻大，并且高水平的电流可能从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)，所以当在低水平的电流下断开功率半导体器件时，开关可能由于过大的电阻而变慢。因此，断开损耗由于尾电流而增大，从而减小了总体效率。

上述内容仅意在帮助理解本发明的背景，而并不旨在意指本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。

技术实现要素：

因此，本发明考虑现有技术中发生的上述问题而提出，并且本发明提出一种用于功率半导体器件的栅极驱动装置，其能够基于从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至功率半导体器件的发射极(源极)的电流而减小连接至功率半导体器件的栅极的断开电阻的大小，从而减小在断开功率半导体器件时的损耗，并且提高总体效率。

为了解决该技术问题，根据本发明的实施方案，一种用于功率半导体器件的栅极驱动装置可以包括：第一断开电阻和第二断开电阻，第一断开电阻和第二断开电阻的各自的第一端连接至功率半导体器件的栅极；第一断开开关，其配置为基于用于确定功率半导体器件的接通/断开状态的栅极驱动信号来确定第一断开电阻的第二端和地之间的连接状态；第二断开开关，其配置为确定第二断开电阻的第二端和地之间的连接状态；电流检测器，其配置为检测从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至功率半导体器件的发射极(源极)的电流；以及控制器，其配置为基于栅极驱动信号和通过电流检测器所检测的电流的大小来确定第二断开开关的开路/闭合状态。

所述装置可以进一步包括：栅极驱动器，其配置为输出栅极驱动信号；接通开关，其在栅极驱动信号的高电平区段内闭合，而在栅极驱动信号的断开区段内开路；以及接通电阻，其连接在接通开关和功率半导体器件的栅极之间。当接通开关闭合时，电源电压通过接通电阻而施加至功率半导体器件的栅极。

第一断开开关可以在栅极驱动信号的高电平区段内开路，并且可以在栅极驱动信号的低电平区段内闭合。

当通过电流检测器所检测的电流的大小在预设第一水平和高于预设第一水平的预设第二水平之间，并且栅极驱动信号为低电平信号时，控制器可以允许第二断开开关闭合。

电流检测器可以基于功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的预先确定的电流和电压特性来检测功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压，并且确定从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至功率半导体器件的发射极(源极)的电流是否在预设第一水平和比预设第一水平更高的预设第二水平之间。

电流检测器可以包括：第一比较器，其配置为比较对应于预设第一水平的第一参考电压与功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压；以及第二比较器，其配置为比较对应于预设第二水平的第二参考电压与功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压。

第一比较器可以是非反相比较器，其具有反相输入端和非反相输入端，第一参考电压输入至其反相输入端，而功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压输入至其非反相输入端；而第二比较器可以是反相比较器，其具有非反相输入端和反相输入端，第二参考电压输入至其非反相输入端，而功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压输入至其反相输入端。

电流检测器可以包括：二极管，其阴极连接至功率半导体器件的集电极(漏极)；以及电容器，其连接在功率半导体器件的发射极(源极)和二极管的阳极之间。二极管和电容器的连接节点可以分别连接至第一比较器的输入端和第二比较器的输入端。

所述装置可以进一步包括：保护电路，其配置为确定过大电压是否施加至功率半导体器件的集电极(漏极)。

保护电路可以包括：多个分压电阻，其配置为对将电压施加至功率半导体器件的集电极(漏极)的电源电压进行分压；以及比较器，其配置为比较通过多个分压电阻分压的电压与对应于比预设第二水平更高的预设第三水平的参考电压。

此外，根据本发明的实施方案，一种用于功率半导体器件的栅极驱动装置可以包括：栅极驱动器，其配置为输出栅极驱动信号，所述栅极驱动信号确定功率半导体器件是否接通或断开；第一断开开关，其在栅极驱动信号的高电平区段内开路，而在栅极驱动信号的低电平区段内闭合；第一断开电阻，其连接在第一断开开关和功率半导体器件的栅极之间；第二断开开关，其在栅极驱动信号的高电平区段内开路，并且在从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至功率半导体器件的发射极(源极)的电流的大小在预设第一水平和比预设第一水平更高的预设第二水平之间，且栅极驱动信号在低电平区段内时闭合；以及第二断开电阻，其连接在第二断开开关和功率半导体器件的栅极之间。当第一断开开关和第二断开开关闭合时，第一断开电阻和第二断开电阻可以连接至地。

所述装置可以进一步包括：电流检测器，其配置为检测从功率半导体器件的集电极(漏极)流动至功率半导体器件的发射极(源极)的电流，并且配置为确定所检测的电流是否在预设第一水平和预设第二水平之间；以及控制器，其配置为基于所检测的电流是否在预设第一水平和预设第二水平之间以及栅极驱动信号的电平为高或低而确定第二断开开关的开路/闭合状态。

电流检测器可以包括：第一比较器，其配置为比较对应于基于功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的预先确定的电流和电压特性而确定的预设第一水平的第一参考电压与功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压；以及第二比较器，其配置为比较对应于基于功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的预先确定的电流和电压特性而确定的预设第二水平的第二参考电压与功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压。

第一比较器是非反相比较器，其具有反相输入端和非反相输入端，第一参考电压输入至其反相输入端，而功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压输入至其非反相输入端，并且第二比较器是反相比较器，其具有非反相输入端和反相输入端，第二参考电压输入至其非反相输入端，而功率半导体器件的集电极(漏极)和功率半导体器件的发射极(源极)之间的电压输入至其反相输入端。

电流检测器可以包括：二极管，其阴极连接至功率半导体器件的集电极(漏极)；以及电容器，其连接在功率半导体器件的发射极(源极)和二极管的阳极之间。在此，二极管和电容器的连接节点可以分别连接至第一比较器的输入端和第二比较器的输入端。

所述装置可以进一步包括：保护电路，其配置为确定过大电压是否施加至功率半导体器件的集电极(漏极)。

保护电路可以包括：多个分压电阻，其配置为对将电压施加至功率半导体器件的集电极(漏极)的电源电压进行分压；以及比较器，其配置为比较通过多个分压电阻分压的电压和对应于比预设第二水平更高的预设第三水平的参考电压。

根据在此所讨论的用于功率半导体器件的栅极驱动装置，所述栅极驱动装置通过在期望的电流范围内将额外的断开电阻与为了在宽的电流区段内的安全运行而预先预设为具有高电阻值的断开电阻并联连接，从而减小总的电阻值。因此，由于具有高电阻值的断开电阻导致的尾电流而引起的断开损耗可以减小，并且可以提高总体效率。

附图说明

本发明的上述和其它目标、特征和其它优点将通过下述结合附图的详细描述而得到更清楚的理解。

图1是示出根据本发明的实施方案的用于功率半导体器件的栅极驱动装置的电路图。

图2是示出当功率半导体器件接通时集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压/电流特性的曲线图。

图3和图4为分别示出根据本发明的实施方案的功率半导体器件的驱动技术和常规功率半导体器件的驱动技术的曲线图。

应当理解，上文提及的附图并不必按比例绘制，而是呈现各种特征的简化表示，以对本发明的基本原理进行说明。本发明的具体设计特征，例如包括具体尺寸、方向、位置和形状将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

具体实施方式

下文中，将参考附图对本发明的实施方案进行具体描述。如本领域技术人员将意识到的那样，所描述的实施方案可以通过各种不同的方式修改，全部修改不脱离本发明的精神或范围。此外，在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

本文所使用的术语仅出于描述具体实施方案的目的，并且不旨在限制本发明。当在本文中使用时，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚的指示。应当进一步理解，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，表明存在所述的特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。当在本文中使用时，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任意和所有组合。

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力车辆。

另外，应当理解，下述方法中的一个或多个，或者其方面，可以通过至少一个控制器来执行。术语“控制器”可以指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储程序指令，而处理器则进行特定编程以执行程序指令，从而执行将在下文描述的一个或多个过程。控制器可以控制如本文所描述的单元、模块、部件、设备等的运转。此外，应当理解，如本领域技术人员所将理解的那样，下述方法可以通过包括与一个或多个其他组件相结合的控制器的装置来执行。

此外，本发明的控制器可以实现为包含通过处理器执行的可执行程序指令的非易失性计算机可读介质。计算机可读介质的示例包括但不限于：rom、ram、光盘(cd)rom、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在整个计算机网络中，使得程序指令以分布式方式存储和执行，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网络(can)。

下文中，将参考附图对根据本发明的各个实施方案的用于功率半导体器件的栅极驱动装置进行详细描述。

图1是示出根据本发明的实施方案的用于功率半导体器件的栅极驱动装置的电路图。

如图1所示，根据本发明的实施方案的用于功率半导体器件的栅极驱动装置是基于从栅极驱动器10输出的栅极驱动信号来驱动功率半导体器件20的栅极g的装置。栅极驱动装置可以包括：第一断开电阻r2和第二断开电阻r3，其各连接至功率半导体器件20的栅极g；第一断开开关tr2，其用于确定第一断开电阻r2和地之间的连接状态；第二断开开关tr3，其用于确定第二断开电阻r3和地之间的连接状态；电流检测器30，其用于检测从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)的电流；以及控制器40，其用于基于通过电流检测器30所检测的电流的大小以及栅极驱动信号来确定第二断开开关tr3的连接状态。

栅极驱动器10输出用于确定功率半导体器件20的接通/断开状态的栅极驱动信号。例如，当功率半导体器件20使用在用于驱动电动机的逆变器中时，用于实现通过控制器而确定的用于控制电动机的三相ac电压的脉冲宽度调制信号输入至栅极驱动器10。此外，栅极驱动器10输出栅极驱动信号以控制功率半导体器件20，从而使功率半导体器件20进入对应于所述脉冲宽度调制信号的接通/断开状态。

功率半导体器件20是设置在电力控制电路(例如，逆变器)中的开关元件，并且其集电极(漏极)和发射极(源极)在栅极电压的控制下而接通或断开。例如高压电池的高压电源的电压可以施加至功率半导体器件20的集电极(漏极)。

从栅极驱动器10输出的栅极驱动信号可以是高电平或低电平的脉冲信号。另外，栅极驱动器10可以以在实际的硬件中的集成电路的形式实现。

功率半导体器件20的栅极具有用于施加这样的信号的电路：通过该信号，功率半导体器件20接通/断开。所述电路可以包括：接通开关tr1；第一断开开关tr2；二极管d1和d2；接通电阻r1；以及第一断开电阻r2。

接通开关tr1可以实现为npn晶体管。在此，栅极驱动信号可以施加至接通开关tr1的基极，电源电压施加至接通开关tr1的集电极，而接通开关tr1的发射极可以连接至第一断开开关tr2的集电极。

第一断开开关tr2可以实现为pnp晶体管。在此，栅极驱动信号施加至第一断开开关tr2的基极，第一断开开关tr2的集电极可以连接至接通开关tr1的发射极，而第一断开开关tr2的发射极可以接地。

接通开关tr1和第一断开开关tr2的连接节点(即，接通开关tr1的发射极和第一断开开关tr2的集电极)可以分别串联连接至第一二极管d1和接通电阻，以及第二二极管d2和第一断开电阻r2。

接通电阻r1和第一断开电阻r2可以连接至功率半导体器件20的栅极。在此，第一二极管d1的阳极连接至接通开关tr1和第一断开开关tr2的连接节点，而第一二极管d1的阴极连接至接通电阻r1。此外，第二二极管d2的阴极连接至接通开关tr1和第一断开开关tr2的连接节点，而第二二极管d2的阳极连接至第一断开电阻r2。

在具有上述结构的电路中，当栅极驱动信号为高电平时，是npn晶体管的接通开关tr1接通(闭合状态)，而是pnp晶体管的第一断开开关tr2断开(开路状态)，从而通过第一二极管d1和接通电阻r1在电源和功率半导体器件20的栅极之间形成路径，因此功率半导体器件20接通。另外，当栅极驱动信号为低电平时，是npn晶体管的接通开关tr1断开(开路状态)，而是pnp晶体管的第一断开开关tr2接通(闭合状态)，从而通过第二二极管d2和第一断开电阻r2在地和功率半导体器件20的栅极之间形成路径，因此功率半导体器件20断开。

在上述电路中，当功率半导体器件20从接通状态转变到断开状态时，第一断开电阻r2的电阻值确定为相对高的值，使得从集电极(漏极)流动至发射极(源极)的大小在零到预设参考值的范围内的电流稳定地断开。当第一断开电阻r2的电阻值确定为高值时，在功率半导体器件20的断开过程中的开关变得更慢，并且由于尾电流而导致断开损耗增大，由此降低了效率。

根据本发明的实施方案，为了解决效率降低的问题，在从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动到其发射极的电流的大小在预设范围内的情况下，可以减小断开电阻的大小从而能够实现快速开关。

为了实现上述目标，本发明的实施方案提供：电流检测器30，其用于检测从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)的电流的大小；以及额外的第二断开开关tr3，其用于在需要断开第二断开电阻r3和功率半导体器件20时将第二断开电阻r3与第一断开电阻r2并联连接。

换句话说，当通过电流检测器30所检测的从集电极(漏极)流动至发射极(源极)的电流的大小在预设参考范围内时，第二断开开关tr3接通，并且第二断开电阻r3连接在功率半导体器件20的栅极和地之间，从而第二断开电阻r3与第一断开电阻r2并联连接。因此，彼此并联连接的第一断开电阻r2和第二断开电阻r3的组合电阻值施加在功率半导体器件20的栅极和地之间。在此，由于第一断开电阻r2和第二断开电阻r3的组合电阻值小于第一断开电阻r2的电阻值，所以在功率半导体器件20的断开路径上的电阻值减小，由此实现快速开关。换句话说，可以解决由于尾电流导致断开损耗增大从而效率降低的问题。

可以通过控制器40来控制第二断开开关tr3，所述控制器40接收从集电极(漏极)流动到发射极(源极)并通过电流检测器30所检测的电流，并且基于该电流的大小来确定第二断开开关的接通/断开状态。更具体而言，当控制器接收从集电极(漏极)流动到发射极(源极)并通过电流检测器30所检测的电流的大小，并确定该电流的大小在预设范围内时，并且当通过栅极驱动器10提供的栅极驱动信号在断开区段(在该区段中，功率半导体器件20断开)内时，所述控制器40可以接通第二断开开关tr3。在此，第一断开开关tr2可以通过由栅极驱动器10提供的栅极驱动信号而进行操作，而与控制器40的控制无关。

根据本发明的实施方案，电流检测器30可以配置为具有非反相比较器comp1和反相比较器comp2，并且在功率半导体器件20接通时，将集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压的检测值与预设参考值vref1、vref2进行比较。

在此，当功率半导体器件20接通时，通过检测功率半导体器件20的集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压并且通过比较所检测的电压和预设参考值，而不是利用集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压/电流特性来直接检测电流，电流检测器30间接地检测从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)的电流是否在预设范围内。

图2是显示当功率半导体器件接通时集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压/电流特性的曲线图。

如图2所示，功率半导体器件20具有这样的连接特性，其中集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压与从集电极(漏极)流动至发射极(源极)的电流以同样程度升高。当功率半导体器件20断开时，允许第二断开开关tr3断开的电流大小区段在图2中的从第一水平(水平1)到第二水平(水平2)之内，对应于第一水平(水平1)的电压值vref1可以是输入至非反相比较器comp1的反相输入端的参考值，而对应于第二水平(水平2)的电压值vref2可以是输入至反相比较器comp2的非反相输入端的参考值。

当非反相比较器comp1和反相比较器comp2的输出都为高时，从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动至发射极(源极)的电流的大小在预先确定的范围内。因此，在这种情况下，控制器40可以在功率半导体器件20断开时允许第二断开开关tr3接通。换句话说，控制器40可以在图2中由运行区域表示的区段内允许第二断开开关tr3接通。

电流检测器30可以包括：二极管d4，其阴极连接至功率半导体器件20的集电极(漏极)；以及电容器c1，其连接在功率半导体器件20的发射极(源极)和二极管d4的阳极之间。二极管d4和电容器c1的连接节点可以分别连接至非反相比较器comp1的非反相输入端和反相比较器comp2的反相输入端。在该电路结构中，从功率半导体器件20的集电极(漏极)和其发射极(源极)之间的电压减去二极管d4的阈值电压的值可以施加至电容器c1。由于二极管d4的阈值电压具有预先确定的值，所以施加至电容器c1的电压可以对应于功率半导体器件20的集电极(漏极)和发射极(源极)之间的电压。

根据本发明的实施方案，由于从非反相比较器comp1和反相比较器comp2输出的电流检测结果在高低状态内，并且从栅极驱动器10输出的栅极驱动信号也在高低状态内，所以控制器40可以不使用复杂算法，而利用所述高低状态实现为简单逻辑电路，因此可以以低成本简单地制造控制器的电路。当然，在另一实施方案中，电流检测器可以实现为检测从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)的电流的商用电流传感器，并且控制器可以实现为接收电流传感器的输出并且利用预编程的确定算法来确定第二断开开关tr3的接通/断开的微型计算机。然而，其问题在于，由于微型计算机的运行周期的限制导致很难快速地进行操作，并且电流检测器和控制器的制造需要高昂的成本和复杂的工艺。

根据本发明的实施方案，栅极驱动装置可以进一步包括：保护电路50，其用于在过大的电压施加至功率半导体器件20的集电极(漏极)时，阻止过大的电流在集电极(漏极)和发射极(源极)之间流动。

当对应于保护电流水平(为第三水平(水平3))的电压vref3施加在功率半导体器件20的集电极(漏极)及其发射极(源极)之间时，保护电路50可以设置为检测该电压并且通知该电压的施加。保护电路50可以包括：分压电阻r5和r6，其用于对将过大电压施加至功率半导体器件的集电极(漏极)的电源100的电压进行分压；以及比较器comp3，其用于比较通过分压电阻r5和r6分压的电压与对应于图1中的第三水平(水平3)的预设参考值vref3。

在图1所示的示例中，比较器comp3配置为当通过分压电阻分压的值高于预设参考值vref3时输出低电平信号。然而，比较器comp3可以实现为非反相比较器，而不限于此。

图3和图4为分别示出根据本发明的实施方案的功率半导体器件的驱动技术和常规功率半导体器件的驱动技术的曲线图。

如图3和图4所示，根据本发明的实施方案，相比于常规功率半导体器件，从功率半导体器件20的集电极(漏极)流动至其发射极(源极)的电流的断开过程的时间显著减小。

如上所述，根据本发明的各个实施方案，用于功率半导体器件的栅极驱动装置配置为通过在期望的电流范围内将额外的断开电阻与为了在宽的电流区段内的安全运行而预先预设为具有高电阻值的断开电阻并联连接，从而减小总的断开电阻值，由于具有高电阻值的断开电阻所导致的尾电流而引起的断开损耗可以减小，由此提高效率。

尽管出于说明的目的而描述了本发明的某些实施方案，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求所述的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。