專利名稱：用于功率半導(dǎo)體開關(guān)的有源鉗位電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源鉗位電路，可用于以基準(zhǔn)電位為參考的功率半#開 關(guān)的開關(guān)輸^V端。
背景技術(shù)：
功率半#開關(guān)(例如igbt )可用于大電壓和大電流的通斷控制。通過 ^口在功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)輸入端上的控制信號來操控功率半^開關(guān)扭軒
適當(dāng)?shù)拈_關(guān)動作。由一個(gè)驅(qū)動電路(簡稱為驅(qū)動器)生成該控制信號。如果 驅(qū)動電路的控制信號^t,例如當(dāng)沒有電能供應(yīng)給驅(qū)動電路時(shí)，則功率半*
開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)就有可能變得無法確定，u不希m生的情況。
無法確定確^L指無法確定IGBT究竟是導(dǎo)通還是斷開，或者是^#在當(dāng) 前的開關(guān)狀態(tài)。例如當(dāng)與IGBT的柵擬目連的開關(guān)輸入端通過功率半*開 關(guān)的寄生電容(在IGBT的情況下例如為集電極和柵極之間的米勒電容)纟M^ 電時(shí)，IGBT會n意外的通斷動作。例如，當(dāng)IGBT的集電^Lh的電a^卜 部電壓源作用下隨時(shí)間變化時(shí)，就會J^jl這種充電現(xiàn)象。例如，在如整流器電 路中對中間回路電壓進(jìn)行開關(guān)辦的并聯(lián)IGBT就可能會引^il種情況。
在^f可情況下均應(yīng)當(dāng)i^出^ii種'Jf^。已知通過一個(gè)歐姆電iaii者保護(hù) 電阻將開關(guān)輸入端與半導(dǎo)體開關(guān)的基準(zhǔn)電位(例如地線)相連，就可moL出現(xiàn) 意外通斷動作。功率半#開關(guān)的開關(guān)輸入端的這種保護(hù)電游^^皮稱作無源鉗 位電路。鉗位電路的電阻不可過大，從而即使當(dāng)IGBT的集電極與發(fā)#^1之 間的電壓波動dU/dt很大時(shí)，也能阻止IGBT導(dǎo)通。
這種^^電路的鐵存、在于，若電阻值較小，則在IGBT正常工作狀態(tài)下由 該電阻所引起的功^J員耗就會增大。a常工作狀態(tài)下，開關(guān)輸入端Ji4斜目 對于基準(zhǔn)電位的電壓，作用于保護(hù)電阻上就會產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生功率損耗。因 此只育M財(cái)居應(yīng)用情況，以^ 經(jīng)濟(jì)的方式^f錄電阻的阻值減'J、到一定的程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，##一種可用于功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)輸入端的^ 型鉗位電路。
該任務(wù)通過一種用于半#開關(guān)的開關(guān)輸入端的有源鉗位電路來解決，其 中開關(guān)輸入端參照M電位。這種類型的基準(zhǔn)電&通常就是接地。有源鉗位 電M有可與開關(guān)輸入端相連的節(jié)點(diǎn)，并且具有從該節(jié)點(diǎn)《I JJJ^電位的電阻
元件。iH^卜，該鉗位電路還具有激活輸入端。通過該激活輸人端控制鉗位電 路iiA^t活狀態(tài)或者非激活狀態(tài)，因此是一種有源電路。電PJL^L件在^JL活狀
態(tài)下具有第一電阻值。電阻元件在激活狀態(tài)下具有大于所述第一電阻值的第二 電阻值。
例如當(dāng)鉗位電路無電流^it時(shí)，f狄于非激活狀態(tài)，與基準(zhǔn)電位之間呈低 阻抗。通常在半#開關(guān)正常工作時(shí)進(jìn)行激活，即由驅(qū)動電i^^^"^Hf關(guān)信 號，使#^位電路在開關(guān)輸入端和絲電位之間切紗高阻抗。
這樣的好處在于，當(dāng)處在非激活狀態(tài)時(shí)，半徘開關(guān)的開關(guān)輸入端與絲 電位之間為低阻抗，從而保證半"H^開關(guān)具有可靠、持久的開關(guān)狀態(tài)。在半導(dǎo) 體開關(guān)工作時(shí)，可以##位電路切換為高阻抗，以便減小從開關(guān)輸入端流向基 準(zhǔn)電位的電流，進(jìn)而明顯減少功^^員耗。
所述電阻元件可以具有一個(gè)連接在所述節(jié)點(diǎn)上且引至基準(zhǔn)電位的歐姆電 阻，其阻錄第二電阻值的范圍之內(nèi)。這^^位電路附帶地包括一^H十對該電 阻的旁路電路，當(dāng)電PJJL件處在非激活狀態(tài)時(shí)該旁路電3^通，而當(dāng)電pil^t件 財(cái)激活狀態(tài)時(shí)，則旁路電i^皮截止。在激活狀態(tài)下，即當(dāng)旁路電5^皮截止時(shí)， ^(5^斤^:姆電阻構(gòu)成所述節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)電位之間的連接。鉗位電#而還具有第 二電阻值。在非激活狀態(tài)下，旁路電財(cái)通，從而抑制第一電阻，并ilit過其 自身的固有電阻在節(jié)點(diǎn)和基準(zhǔn)電位之間形威辰低的第一電阻值。
旁路電路可以包括至少一個(gè)第一晶體管，其集電;fe^接到所述節(jié)點(diǎn)，其基 M'j連接到所述電阻背向所述節(jié)點(diǎn)的一端。該晶體管的發(fā)4W引^J^電位。 這樣，旁路電路包括一個(gè)^J斤迷電l2^者第一晶體管的l^l引^J^電位的開 關(guān)。
通絲用晶體管和開關(guān)來形成鉗位電路，當(dāng)開關(guān)輸入端空載時(shí)，該鉗位電 ^基準(zhǔn)電位之間呈低阻抗，可以通過閉^f關(guān)輸入端和基準(zhǔn)電位之間的開關(guān)
而切M高阻抗。如果開關(guān)已斷開，當(dāng)通過晶體管的自身通斷特性經(jīng)由其集電 才脈發(fā)射極將相對于絲電位的電壓或負(fù)M^到開關(guān)輸入端上時(shí)，就會與基
準(zhǔn)電位之間形成具有第一電阻值的低阻^i^接。而與jH^目反，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)， 晶體管的^ Ut于基準(zhǔn)電位，晶體管截止，來自開關(guān)輸入端的電流只能流經(jīng)電 阻。電阻&匕時(shí)變成高阻抗，也i^l:在第二電阻值的范圍內(nèi)。
開關(guān)可以包括一個(gè)第二晶體管。該開關(guān)同樣也可以設(shè)計(jì)成半*形式，可 艦^J^A^l器件，從而使整^#位電路為純電子形式。
第一晶體管也可以是i^木頓晶體管類型的，晶體管的一部分。這樣在鉗 位電路中就有多個(gè)第一晶體管，它們可根據(jù)開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)在開關(guān)輸入端和基 準(zhǔn)電位之間形成低阻M高阻抗的連接。*頓晶體管類型的晶體管結(jié)構(gòu)具有 非常高的增益，從而可以選擇比較大的電阻(即保護(hù)電阻)，使得正常工作過 程中的功^l員耗比較小。
在這種情況下，鄉(xiāng)晶體管中的^"-個(gè)晶體管均可分酉沐相應(yīng)的開關(guān)，其 中所有開關(guān)均同步通斷。^it種情況下，這些開關(guān)自身當(dāng)然也包含晶體管。
可以給所述電阻并聯(lián)一個(gè)電容，該電容^^加速電容的作用，當(dāng)開關(guān)輸入
端上的電壓快速變化時(shí)，就會放大WuA^斤述一個(gè)或多個(gè)第一晶體管的錄中的電流。
可以通過一個(gè)js^i管將所述節(jié)點(diǎn)與輸入端相連。^ii常情況下，當(dāng)存^f目 對于 電位的正向?qū)妷簳r(shí)，該^1管就會#^位電路與開關(guān)輸入端斷開， 使得當(dāng)功率半*開關(guān)斷開時(shí)，尤其是當(dāng)IGBT斷開時(shí)，在第一晶體管的狄 上就不會有負(fù)電壓(相對于M電壓的負(fù)電壓)。


關(guān)于本發(fā)明的進(jìn)一步描述，可參考附圖所示的實(shí)施例。相關(guān)附圖均為示意 原理圖
圖l 一種本發(fā)明所述鉗位電路的原理圖，
圖2鉗位電路的一種實(shí)施方式，包括兩個(gè)簡單的晶體管，
圖3鉗位電路的一種實(shí)施方式，包^i^頓電路和雙重晶體管驅(qū)動。
M實(shí)施方式
圖1示出了作為半#開關(guān)的IGBT 2，它由一個(gè)驅(qū)動電路4控制絲通 和斷開。為此，驅(qū)動電路4具有一個(gè)連接到IGBT2的輸入端8的輸出端6。 除jtb^卜，在輸入端8 Jiia^接了一個(gè)有源的鉗位電路10,該鉗位電路引至 賦GND，該賦同才ft^^示IGBT2的J^偉電位。通過^T入端8參考所 ^41^電位使^#位電*通或斷開。
在IGBT 2上繪出了其位于柵極G和集電極C之間的寄生米勒電容 CM。當(dāng)驅(qū)動電路4絲活時(shí)，例如沒有給絲電，或者無出端6為高阻抗， 則驅(qū)動電路就不會對輸入端8產(chǎn)生驅(qū)動作用。;綠米勒電容CM的電流因jt講 對柵極G或者輸入端8進(jìn)行充電，如^^殳有鉗位電路10來將柵極G上的這 種電荷A/J^ GND傳導(dǎo)走，則有可能導(dǎo)致IGBT2的意外通斷動作。
鉗位電路10包括一個(gè)電PiLiL件11,并且具有可通it^L活輸入端12進(jìn)行 切換的兩個(gè)工作狀態(tài)。在非激活狀態(tài)下，鉗位電路10或電阻元件11具有低 阻抗的第一歐姆電阻Rgep使得聚集^t極G上的電荷能夠由;hk^ GND導(dǎo) 出。
而當(dāng)驅(qū)動電路4激活時(shí)，也M當(dāng)其^i"極G上產(chǎn)生電位時(shí)，在輸入端8 和# GND之間的電位差作用下，將有很高的電流經(jīng)過低阻抗電阻RgE1。因 jth4十對這種情況，可通微活輸入端12激活鉗位電路10，也^_使##位電 路或者電阻元件11的歐姆電阻Rge2^^増大。從柵極G經(jīng)過鉗位電路10 流向員GND的電^l夸明顯減少，從而明顯斷氐圖1所示電路的功率損耗。
圖2示出了為鉗位電路10在^線端子14a和b之間的一種實(shí)施方式。 在輸入端14a上首先連4^一個(gè)~=4 1管Dl，該1管經(jīng)由節(jié)點(diǎn)16、電阻Rl和 節(jié)點(diǎn)18使得場效應(yīng)晶體管Q3通向漏極端子D。晶體管Q3的源極S經(jīng)由 另一個(gè)節(jié)點(diǎn)20通向接線端子14b。晶體管Q3的柵極G與激活輸入端12 相連，或者就作為該激活輸入端。雙極型晶體管Ql的集電極C連接到節(jié)點(diǎn) 16，其基fel B連接到節(jié)點(diǎn)18，其發(fā)射歐E連接到節(jié)點(diǎn)20。晶體管Ql和Q3 構(gòu)成一^H十對電阻Rl的、可以通it^L活輸入端12激活的旁路電路13。
晶體管Q3構(gòu)成一個(gè)開關(guān)15，在一種替代實(shí)施方式中，也可以通過一個(gè)機(jī) 械式開關(guān)15來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)通斷指令將節(jié)點(diǎn)18和20連接到激活輸入端12。
當(dāng)鉗位電路10沒有激活時(shí)，也，議當(dāng)激活輸入端12上的激活電壓UA 等于OV時(shí)，晶體管Q3斷開。該晶體管截止，并且在節(jié)點(diǎn)18和20之間形
成空栽。如果柵極G或輸入端8上存在電荷，電流就^it過接線端子14a經(jīng) 由4管Dl和電阻Rl流向晶體管Ql的基歐B并且使其導(dǎo)通。晶體管 Ql在集電極C和發(fā)4 E之間變?yōu)榈妥杩梗⑶蚁蚬?jié)點(diǎn)20并從而向賦 GND卸放輸入端8上的電荷或電壓。鉗位電路10的導(dǎo)通電阻M種情況下 ,爭議Rge"通過晶體管Ql的集電極-發(fā)4 電阻*示。
當(dāng)激活電壓UA 口在激活輸入端12上時(shí)，晶體管Q3就會導(dǎo)通，并且 在節(jié)點(diǎn)18和20之間形成低阻^ti^接。這樣就會將晶體管Ql的J^U^接到 地電位GND,晶體管Ql被截止，^iiit^ l管Dl和電阻Rl形威A^入 端8 M線GND之間的導(dǎo)通連接。電阻Rl此時(shí)為高阻抗，且線為接線 端子14a、 b之間鉗位電路10的阻，Rge2。換句話說，激活電壓UA斷 開了經(jīng)由晶體管Ql的電流路徑。
圖3示出了鉗位電路10的一種^R實(shí)施方式。該電路由晶體管Ql、 Q2、 電阻Rl、 R2和電容Cl組成的鉗位電路或旁路電路15構(gòu)成。Ql和Q2在 i^形成的組合相當(dāng)于一個(gè)增益很高的ii^頓晶體管。用于激活和禁iLWl鉗 位的電路(即開關(guān)15 )由晶體管Q3、 Q4和電阻R3構(gòu)成。晶體管Q3和Q4 構(gòu)成一個(gè)^頓晶體管類型的級眹晶體管17。
例如，當(dāng)驅(qū)動電路4沒有被供電時(shí)，產(chǎn)生電壓UA的驅(qū)動電路就會激活鉗 位。如^^殳有通過R3形成的電壓，則兩個(gè)晶體管Q3和Q4被斷開，并且 在Ql、 Q2的tt B和賦GND之間形成高阻^ti^接。如^J脈電壓UGE 升高，當(dāng)電壓大于Ql和Q2的^1-發(fā)4*電壓*時(shí)，電沈就會經(jīng)由Rl流 入Q2的tt B。 晶體管Ql和Q2導(dǎo)通，并且開始朝向i^ GND卸放 IGBT 2的柵極G上的電荷，即鉗位IGBT的柵fel G上的電壓。該電路的 作用就如同一個(gè)與大小相當(dāng)于Ql和Q2的基極-發(fā)射極電壓之和的電壓源串 聯(lián)的^f氐阻抗電阻。
電容d是一個(gè)加速電容，可在IGBT 2的柵極G上的電壓'tfei變4匕時(shí) 放大;狀Q2的^fel B中的J^電流。
為了消RH^"位，必須脅控制電壓UA，使得能夠確l械過晶體管Q3和 Q4的導(dǎo)通門限。晶體管Q3、 Q4(本示例中為FET)被導(dǎo)通。從而將Ql和 Q2的基fel B連接到地電位GND。晶體管Ql和Q2現(xiàn)^^皮可靠地?cái)嚅_。 需務(wù)陣Ql和Q2的，B同時(shí)接地GND,以保iiEi^斷開和禁止鉗位電
路，即斷開旁路電路13。
當(dāng)鉗位電路10絲禁 態(tài)時(shí)，僅電阻RJ本示例中的阻值為踏kfi) 作用于IGBT2的柵板G。工作狀態(tài)下所產(chǎn)生的功率損耗由此可以忽略不計(jì)。
^ l管A將其^#位電路10與IGBT2的柵極G斷開,使得在IGBT 2斷開時(shí)不會有負(fù)電>&^口在Ql和Q2的集電極C上。
附圖才射己列表 2 IGBT 4 驅(qū)動電路 6 輸出端 8 輸入端 10鉗位電路 11電賦件 12激活輸入端 13旁路電路 14a，b 接線端子 16，18，20節(jié)點(diǎn) 15開關(guān) 17 晶體管 GND 接地 CM米勒電容 G艦 B J^ L E 發(fā)練 C 集電極
Rgew 電阻 Dl ^ l管
Rl-3 電阻 D 漏極s 源極 Ql隱4 晶體管 UA激活電壓 Cl電容
權(quán)利要求
1. 一種鉗位電路(10)，用于以基準(zhǔn)電位(GND)為參考的功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的開關(guān)輸入端(8)，包括能夠與開關(guān)輸入端(8)相連的節(jié)點(diǎn)(16)，以及從所述節(jié)點(diǎn)(16)引至基準(zhǔn)電位(GND)的、具有激活輸入端(12)的電阻元件(11)，所述電阻元件在非激活狀態(tài)下具有第一電阻值(RGE1)，而在激活狀態(tài)下具有比第一電阻值更高的第二電阻值(RGE2)。
2. 才財(cái)居權(quán)利要求1所述的鉗位電路(10)，其中所述電P脫件(11)包括 連接到所述節(jié)點(diǎn)(16)并引JJ^電位(GND) 、 M于所錄二電阻值(Rge2 ) 范圍內(nèi)的歐姆電阻，并且包括針對所述電阻(R1)的、具有第一電阻值(RcE,) 的旁路電路(D),該旁路電路在非激活狀態(tài)下導(dǎo)通而在激活狀態(tài)下截止。
3. 才財(cái)居權(quán)利要求2所述的鉗位電路(10 )，其中所述旁路電路(13 )包括 -至少一個(gè)第一晶體管(Ql),其集電極(C)連接到所述節(jié)點(diǎn)(16),其 1 (13)連接到所述電阻(Rl)的背向所述節(jié)點(diǎn)(16)的一端(18),其 發(fā)4t^及(E)引^ 電4立(GND),-設(shè)置在所述電阻(Rl)和基準(zhǔn)電位(GND)之間的開關(guān)(15)，該開 關(guān)在非激活狀態(tài)下斷開，并可通it^L活輸入端(12)閉合。
4. 才財(cái)居權(quán)利要求3所述的鉗位電路(10)，其中所迷開關(guān)(15)包括由激 活輸入端(12)控制的第二晶體管(Q3)。
5. 才娥^U'J要求3或4所述的鉗位電路(IO),其中所錄一晶體管(Q1) 是ii^頓晶體管類型的級眹晶體管(17)的一部分。
6. 才 權(quán)利要求5所述的鉗位電路(10)，其中所^iW晶體管(17)中 的每一個(gè)晶體管(Ql, Q2)均分酉沐相應(yīng)的同步通斷的開關(guān)(Q3， Q4)。
7. 才條權(quán)利要求3至5中^-項(xiàng)所述的鉗位電路(10)，包括與所述電阻 (Rl)并^il接的電容(Cl)。
8. 才財(cái)居上i^又利要求中任一項(xiàng)所述的鉗位電路(10)，其中所述節(jié)點(diǎn)(16) 能夠通過一個(gè)_^及管(Dl)與輸入端(8)相連。
全文摘要
一種鉗位電路(10)，用于以基準(zhǔn)電位(GND)為參考的功率半導(dǎo)體開關(guān)(2)的開關(guān)輸入端(8)，包括能夠與開關(guān)輸入端(8)相連的節(jié)點(diǎn)(16)，以及從所述節(jié)點(diǎn)(16)引至基準(zhǔn)電位(GND)的、包括激活輸入端(12)電阻元件(11)，所述電阻元件在非激活狀態(tài)下具有第一電阻值(R_GE1)，而在激活狀態(tài)下具有較高的第二電阻值(R_GE2)。
文檔編號H02H9/02GK101394082SQ20081017694
公開日2009年3月25日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月3日
發(fā)明者A·米爾霍夫爾, D·奧伯恩奧德, G·柯尼希斯曼, M·霍夫梅爾 申請人:塞米克朗電子有限及兩合公司