半导体开关装置驱动设备的制造方法
【专利说明】半导体开关装置驱动设备
[0001]本申请是2012年03月23日提交的、题目为“负载驱动设备和半导体开关装置驱动设备”和申请号为201210080800.X的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本公开涉及一种负载驱动设备，所述负载驱动设备包括用于控制负载电流供应的开关装置。本公开还涉及一种半导体开关装置驱动设备。
【背景技术】
[0003]已经提供了一种利用开关装置驱动负载的负载驱动设备，所述开关装置例如是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)。在导通IGBT时，如果在通往与IGBT耦合的负载的电源的线路上某处发生短路，负载驱动设备产生过电流，由于IGBT的温度突然升高，IGBT被击穿。因此，检测短路是非常重要的。
[0004]在负载驱动设备中，减小IGBT尺寸以降低IGBT成本，在结构上减少了 IGBT装置的短路容量。在发生短路故障时，可能向IGBT连续施加过电流，可能由于温度突然升高导致IGBT击穿。短路容量表示从开始施加过电流到击穿的时间(或能量)。在短路容量低时，击穿所用的时间缩短。在检测到短路之后保护装置的配置中，从检测到短路到保护装置可能花费时间，由于低短路容量可能对装置的保护不充分。
[0005]为了解决上述问题，在IGBT导通时将IGBT栅极电压箝位到箝位电压。因此，限制了由于短路处产生大电流使IGBT击穿。由于IGBT镜像(mirror)效应，箝位电压需要比栅极电压(下文称为镜像电压)更高，因此设计IGBT必须考虑到镜像电压中的最大变化。图23A是示出了正常运行中的IGBT操作的时序图。图23B是示出了短路运行时IGBT操作的时序图。如图23A中所示，镜像电压例如随着IGBT环境而发生很大变化。将箝位电压设置成比最大镜像电压更大的电压。如果短路检测电路执行短路判断并检测到正常结果，则释放箝位并启用完全导通状态。如图23B所示，在短路检测电路进行短路判断并检测到短路时，维持箝位并在预定时间段之后执行软断开。因此，可以限制由于短路而流动的大电流。
[0006]公开了各种通过改变栅极电压来驱动IGBT的方法。例如，JP-A-2009-71956(对应于US 2009/0066402A1)描述了一种改变栅极电压的两级电压驱动系统。JP-A-2009-11049(对应于US 2009/0002054A1)描述了一种改变恒流驱动电路和电压驱动电路的恒流转换系统。
[0007]不过，因为考虑到镜像电压中的最大变化值设计箝位电压，所以必须将箝位电压设置成大值。对于短路容量而言这是不利的，因为在短路期间有电流流动。
[0008]JP-A-2008-29059 提出了一种驱动 IGBT 的驱动电路。具体而言，JP-A-2008-29059中提出的驱动电路包括IGBT，IGBT的控制端子(栅极)与用于供应第一电流的第一驱动电路、用于供应第二电流的第二驱动电路以及用于检测控制端子处电压值的电压电动机耦入口 ο
[0009]根据该驱动电路，如果控制端子的电压低于阈值电压，则仅有第一驱动电路向IGBT控制端子供应第一电流。如果控制端子的电压达到阈值电压，除第一电流之外还向控制端子供应第二电流。在激活IGBT时，驱动电路减小集电极和发射极之间电流的变化并且缩短控制端子处电压恒定的镜像区域的时间段。
[0010]JP-A-2008-29059还提出了一种配置，其中在同一半导体模块中设置温度监测器和外围电路部件。通过监测温度，可以限制高温下使用中的开关损耗。
[0011 ] 不过，在上述常规技术中，IGBT中的温度变化改变浪涌电压，即使在温度监测器检测温度时，在开关操作期间也可能发生浪涌电压。在温度变化时，可能发生过电压并且可能破坏IGBT。
[0012]一般公知的是，增大施加到IGBT控制端子的驱动电流增大控制端子电压的导通转换速率并且提高开关速度。JP-A-2001-169407(对应于US2007/0002782)披露，在IGBT温度和可允许浪涌击穿电压之间的关系中，较低温度区域表示比较高温度范围更小的可允许浪涌击穿电压。
[0013]可以预先确定小的驱动电流，以便提供小的导通转换速率，以防止IGBT温度变化时有浪涌电压。不过，减小施加到控制端子的驱动电流降低了开关速度并增大了开关损耗。
[0014]已经描述了驱动作为半导体开关装置的IGBT的驱动电路。显然地，IGBT是装置的范例。在其它半导体开关装置中也可能发生上述问题。
【发明内容】
[0015]本公开的目的是提供一种能够改进短路容量并且能够限制损耗增加的负载驱动设备。本公开的另一目的是提供一种半导体开关装置驱动设备，其能够限制由于半导体开关装置中温度变化导致的浪涌电压的发生和变化，并且能够减少开关损耗。
[0016]根据本公开第一方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、温度检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制开关装置的栅极电压来导通开关装置并向负载供应电流，使得开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。温度检测电路检测开关装置的温度。所述算术装置基于温度检测电路检测的温度来计算与所述镜像电压的变化对应的电压并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0017]根据第一方面的负载驱动设备能够限制损耗增加，同时改善短路容量。
[0018]根据本公开第二方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、电流检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制开关装置的栅极电压来导通开关装置并且向负载供应电流，使得所述开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述电流检测电路检测从所述开关装置向所述负载供应的输出电流。所述算术装置基于从所述开关装置供应并且由电流检测电路检测的输出电流来计算与所述镜像电压的变化对应的电压，并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0019]根据第二方面的负载驱动设备能够限制损耗增加，同时改善短路容量。
[0020]根据本公开第三方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、镜像电压检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制所述开关装置的栅极电压来导通开关装置并且向所述负载供应电流，使得开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述镜像电压检测电路通过检测施加到所述负载的开关装置的栅极电压来检测镜像电压。所述算术装置基于所述镜像电压检测电路检测的镜像电压来计算与所述镜像电压的变化对应的电压，并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0021]根据第三方面的负载驱动设备能够限制损耗的增加，同时改善短路容量。
[0022]根据本公开第四方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、开关、恒流源、电压检测电路和算术装置。所述开关装置包括第一电极和第二电极，在控制栅极电压时，控制通往负载的电流供应线的开关状态，所述第一电极耦合到所述电流供应线的电源侧，所述第二电极耦合到所述电流供应线的基准点侧。所述栅极驱动电路通过控制所述开关装置的栅极电压来导通所述开关装置并且向负载供应电流，使得所述开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述开关在所述开关装置的栅极和集电极之间造成短路。所述恒流源产生恒定电流以便以恒定电流驱动所述开关装置。所述电压检测电路利用所述开关在所述开关装置的栅极和集电极之间造成短路，以所述恒流源产生的恒定电流驱动所述开关装置，并且检测所述栅极和开关装置的第二电极之间的电压。所述算术装置基于所述电压检测电路检测的栅极和第二电极之间的电压学习栅极阈值电压变化和电流放大系数变化中的至少一个，基于学习结果计算与镜像电压变化对应的电压并控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0023]根据第四方面的负载驱动设备能够限制损耗增大，同时改善短路容量。
[0024]根据本公开第五方面的半导体开关装置驱动设备包括半导体开关装置、驱动部分、控制部分和温度检测部分。所述半导体开关装置包括控制端子。所述驱动部分向所述半导体开关装置的控制端子供应驱动电流。配置所述驱动部分，利用驱动电流大小的增加来缩短所述半导体开关装置导通之前所过去的时间。所述控制部分通过允许或不允许从所述驱动部分向所述控制端子供应驱动电流控制所述半导体开关装置的开关状态。所述温度检测部分检测所述半导体开关装置的装置温度和所述半导体开关装置的环境温度之一。所述驱动部分根据所述温度检测部分检测的装置温度和环境温度之一改变供应给所述控制端子的驱动电流大小。
[0025]根据第五方面的半导体开关装置驱动设备能够限制由于所述半导体开关装置中温度变化导致的浪涌电压的发生和变化并且能够减少开关损耗。
【附图说明】
[0026]在结合附图考虑时，从以下详细描述，本公开的其它目的和优点将更显而易见。在附图中:
[0027]图1是示出了根据本公开第一实施例的负载驱动设备的电路图；
[0028]图2A是示出了将栅极驱动电路配置为两级电压驱动系统的情况下栅极驱动电路的电路图，图2B是示出了栅极驱动电路被配置为恒流系统的情况下的栅极驱动电路的电路图；
[0029]图3是示出了根据第一实施例的箝位电路范例的电路图；
[0030]图4是根据本公开第二实施例的箝位电路的电路图；
[0031]图5是示出了根据本公开第三实施例的负载驱动设备的电路图；
[0032]图6是示出了根据本公开第四实施例的负载驱动设备的电路图；
[0033]图7是示出了根据本公开第五实施例的负载驱动设备的电路图；
[0034]图8是示出了根据本公开第六实施例的负载驱动设备的电路图；
[0035]图9是示出了根据第六实施例的负载驱动设备操作的时序图；
[0036]图10是示出了根据本公开第七实施例的负载驱动设备的电路图；
[0037]图11是示出了根据本公开第八实施例的半导体开关装置驱动设备的示意图；
[0038]图12是示出了将温度敏感二极管用作温度检测部分的情况下的半导体开关装置驱动设备的示意图；
[0039]图13是不出了图1所不半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0040]图14是示出了根据第八实施例的半导体开关装置驱动设备温度和驱动电流之间关系的曲线图；
[0041]图15是示出了根据第八实施例的半导体开关装置驱动设备操作的时序图；
[0042]图16是示出了根据本公开第九实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0043]图17是示出了根据本公开第十实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0044]图18是示出了根据本公开第十一实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0045]图19是示出了根据第十一实施例的半导体开关装置温度和驱动电流之间关系的曲线图；
[0046]图20是示出了根据本公开第十二实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0047]图21是示出了根据第十二实施例的半导体开关装置温度和驱动电流之间关系的曲线图；以及
[0048]图22是示出了根据本公开第十三实施例的半导体开关装置驱动设备的示意图；以及
[0049]图23A是示出了根据现有技术的正常运行中的IGBT操作的时序图，图23B是示出了根据现有技术短路运行中的IGBT操作的时序图。