專利名稱：用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電壓驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，所述半導(dǎo)體元件向負(fù)載供應(yīng)電流。
背景技術(shù)：
在用于轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的電路中，具有一種本身是已知的技術(shù)(見日本專利申請(qǐng)公開No.H10-51285)，其抑制當(dāng)產(chǎn)生過量的電流的IGBT截止時(shí)產(chǎn)生的電壓浪涌等。在該文件描述的驅(qū)動(dòng)電路中，通過當(dāng)在IGBT中產(chǎn)生過量的電流時(shí)使得柵電阻值變得較大來抑制在截止時(shí)集電極電流改變的速率，從而減輕電壓浪涌。

發(fā)明內(nèi)容
一般地說，對(duì)于配備有驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)規(guī)定有某個(gè)死時(shí)間，并需要在這個(gè)死時(shí)間期間使IGBT截止。上述的簡單地通過使柵電阻值變大來抑制截止時(shí)集電極電流改變的速率(隨時(shí)間而減小的速率)的方法的缺點(diǎn)在于，其使得直到IGBT截止的時(shí)間間隔不希望地變長。換句話說，如果優(yōu)先考慮在死時(shí)間期間使IGBT截止，這對(duì)柵電阻值的大小有限制。結(jié)果，對(duì)集電極電流變化速率的抑制成為不足的。在另一方面，如果優(yōu)先考慮抑制集電極電流變化的速率，則對(duì)柵電阻值的大小不加限制。結(jié)果，用于使IGBT截止的時(shí)間間隔變長。因而，難以使確保抑制集電極電流變化的速率和縮短用于使IGBT截止的時(shí)間間隔彼此協(xié)調(diào)。
按照本發(fā)明的第一方面，提供一種用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，包括電荷供應(yīng)裝置，用于當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件導(dǎo)通時(shí)向其柵極端提供電荷；電荷排出裝置，用于當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件截止時(shí)從其柵極端排出電荷；以及，放電控制裝置，用于控制由電荷排出裝置進(jìn)行的放電，使得當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件截止時(shí)，其集電極電流隨時(shí)間而減小的速率接近于一個(gè)預(yù)定值。
按照本發(fā)明的第二方面，提供一種用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，包括電荷排出裝置，用于當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件被截止時(shí)從其柵極端排出電荷；以及，放電控制裝置，用于檢測電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電壓的時(shí)間變化，以及用于按照被檢測到的集電極電壓的時(shí)間變化控制由所述電荷排出裝置進(jìn)行的放電。
在上面的說明中，“裝置”可以由“單元”代替。


圖1是用于說明按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的IGBT驅(qū)動(dòng)電路的圖；圖2是用于說明在所述驅(qū)動(dòng)電路的主要部分中的信號(hào)波形的圖；圖3是表示當(dāng)產(chǎn)生過量電流的IGBT截止時(shí)其集電極電流隨時(shí)間而變化的圖；以及圖4是表示當(dāng)產(chǎn)生過量電流的所述IGBT截止時(shí)其集電極電壓隨時(shí)間變化的圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合

用于實(shí)施本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。圖1是用于說明按照本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)驅(qū)動(dòng)電路的圖。在圖1中，對(duì)IGBT(Q101)提供有柵極端(G)，集電極端(C)，和發(fā)射極主電池相連的發(fā)射極端(E)，以及和用于檢測集電極電流的電池相連的檢測端(S)。
IGBT(Q101)的集電極端(C)和負(fù)載(L101)的一端相連，負(fù)載(L101)的另一端和電源電壓VB的正端相連。IGBT(Q101)的發(fā)射極端(E)和電源電壓VB的負(fù)端相連。當(dāng)IGBT(Q101)導(dǎo)通時(shí)，集電極電流(Ic)沿圖1的箭頭所示的方向流動(dòng)并驅(qū)動(dòng)負(fù)載(L101)。在電流流動(dòng)的通路中存在的寄生電感假定用Ls表示。應(yīng)當(dāng)理解，在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，圖中所示的和說明書中記載的“GNDC”表示IGBT(Q101)的發(fā)射極端的電位，而圖中的接地符號(hào)表示和IGBT(Q101)的發(fā)射極端相連。
IGBT(Q101)被這樣制成，使得按照輸入電壓Vin進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作(ON/OFF)，所述輸入電壓由在圖中未示出的較高電平控制器提供。由緩沖器IC(I102)進(jìn)行阻抗變換之后，這個(gè)輸入電壓Vin被輸入到NPN晶體管Q102的基極端，用于驅(qū)動(dòng)IGBT(Q101)的導(dǎo)通柵極(turning ongate)。這個(gè)緩沖器IC(I102)具有推挽結(jié)構(gòu)。
由緩沖器IC(I102)進(jìn)行過阻抗變換之后的輸入電壓Vin還通過電阻R103被輸入到PNP晶體管Q103的基極端，用于驅(qū)動(dòng)截止柵極(turning off gate)。用于上述的柵極驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)晶體管Q102和Q103通過各自的柵電阻Rgon和Rgoff與IGBT(Q101)的柵極端G相連，所述柵電阻和這些晶體管的各自的發(fā)射極端相連，因此能夠分別改變至IGBT(Q101)的柵極端G的充電電流和放電電流。應(yīng)當(dāng)理解，Vcc表示用于該電路的電源電壓。
上述的IGBT(Q101)的檢測端S是一個(gè)被提供用于檢測IGBT(Q101)的集電極電流的端子。這個(gè)檢測端S通過檢測電阻R101和IGBT(Q101)的發(fā)射極端相連。相對(duì)于在IGBT(Q101)中流動(dòng)的發(fā)射極電流，占有一個(gè)預(yù)定的電流比例的電流作為檢測電流Is沿箭頭所示的方向流動(dòng)。比較器I101比較在所述檢測電阻R101兩端之間產(chǎn)生的電壓和門限值電壓Vth，并輸出這個(gè)比較的結(jié)果。在檢測電阻R101產(chǎn)生的電壓被輸入到所述比較器I101的反相輸入端(-)，而門限值電壓Vth被輸入到比較器I101的同相輸入端(+)。
為了檢測當(dāng)IGBT(Q101)被截止時(shí)集電極電壓Vce的時(shí)間變化(dVce/dt)，并且為了反饋控制上述的用于截止的PNP晶體管Q103的操作，在IGBT(Q101)的集電極端C和PNP晶體管Q103的基極端提供有電容器C101。此外，為了在上述的截止?fàn)顟B(tài)下把集電極電壓Vce的這個(gè)時(shí)間變化(dVce/dt)的反饋檢測量限制為一個(gè)預(yù)定值，在NPN晶體管Q103的基極端和GNDC之間提供調(diào)節(jié)電阻R102。集電極電壓的時(shí)間變化可被稱為集電極電壓隨時(shí)間的變化或集電極電壓的時(shí)基變化。
調(diào)節(jié)電阻R102的GNDC側(cè)端通過Pch-MOSFET(Q105)和Nch-MOSFET(Q104)(它們都是開關(guān)元件)與GNDC相連，由此按照IGBT(Q101)的導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換上述的反饋檢測量。當(dāng)Pch-MOSFET(Q105)和Nch-MOSFET(Q104)兩者都導(dǎo)通時(shí)，調(diào)節(jié)電阻R102的GNDC側(cè)端和IGBT(Q101)的發(fā)射極端相連，而當(dāng)Pch-MOSFET(Q105)和Nch-MOSFET(Q104)中的任何一個(gè)截止時(shí)，調(diào)節(jié)電阻R102的GNDC側(cè)端便不這樣連接。
電阻值和調(diào)節(jié)電阻R102不同的調(diào)節(jié)電阻R103(R102＜R103)的一個(gè)端子以和調(diào)節(jié)電阻R102相同的方式與PNP晶體管Q103的基極端相連，而其另一端和緩沖器IC(I102)的輸出端以及Pch-MOSFET(Q105)的柵極端相連。Nch-MOSFET(Q104)的柵極端和上述的比較器I101的輸出端相連。
此外，比較器I101的輸出端除了通過上拉電阻R104和電源電壓Vcc相連也和Pch-MOSFET(Q106)的柵極端相連，提供Pch-MOSFET(Q106)用于強(qiáng)制控制輸入電壓Vin的信號(hào)電平為H(高)電平。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如果輸入電壓Vin是H電平，則IGBT(Q101)截止。這個(gè)Pch-MOSFET(Q106)的源極端和電源電壓Vcc相連，而其漏極端和緩沖器IC(I102)的輸入端相連。此外，電容器C102被提供在比較器I101的輸出端和GNDC之間。
當(dāng)比較器I101的輸出電平改變時(shí)，Pch-MOSFET(Q105)和Nch-MOSFET(Q104)的操作的ON/OFF狀態(tài)都改變。比較器I101的輸出信號(hào)也被輸出到較高電平控制器(圖中未示出)作為誤差信號(hào)110。較高電平控制器被這樣構(gòu)成，即，使得如果誤差信號(hào)表示發(fā)生了異常(即，在本實(shí)施例中是L(低)電平)則使信號(hào)(換句話說，輸入電壓Vin)進(jìn)行IGBT(Q101)的開關(guān)控制而變?yōu)镠電平(即，使IGBT(Q101)截止)。在利用多個(gè)IGBT構(gòu)成逆變器或類似物的情況下，通過利用誤差信號(hào)110(其表示在任何一個(gè)IGBT中發(fā)生了過量的電流)作為觸發(fā)信號(hào)，較高電平控制器使構(gòu)成逆變器或類似物的所有這些IGBT截止。
上述的電容器C102被提供用于在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)保持比較器I101的輸出電平，以使得誤差信號(hào)110能可靠地由較高電平控制器識(shí)別。
現(xiàn)在說明上述的驅(qū)動(dòng)電路的操作。圖2是用于說明在圖1所示的驅(qū)動(dòng)電路的主要部分中的信號(hào)波形的圖。在圖2中，示出了以下的各個(gè)波形IGBT(Q101)的集電極電流Ic，輸入電壓Vin，緩沖器IC(I101)的輸出電壓，晶體管Q102的電壓Vce，IGBT(Q101)的柵極電壓Vge，晶體管Q103的電壓Vbe，晶體管Q103的電壓Vce，電容器C101的電流，電阻R102的兩端之間的電壓，電阻R103的兩端之間的電壓，IGBT(Q101)的集電極電壓Vce，檢測端電流Is，比較器I101的輸出電壓，MOSFET(Q104)的電壓(Vds)，MOSFET(Q105)的電壓(Vds)，以及MOSFET(Q106)的電壓(Vds)。
首先說明在IGBT(Q101)的集電極電流Ic處于合適的電流范圍的狀態(tài)下IGBT(Q101)被截止的情況。
在圖2所示的時(shí)刻t1，當(dāng)較高電平控制器(圖中未示出)把輸入電壓Vin的信號(hào)電平從低電平L變?yōu)楦唠娖紿而使IGBT(Q101)截止時(shí)，緩沖器IC(I102)把阻抗變換之后的被反相的信號(hào)從H電平變?yōu)長電平(I102的輸出電壓)。
當(dāng)緩沖器IC(I102)的輸出信號(hào)改變?yōu)榈碗娖絃時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通柵極的NPN晶體管Q102從ON(導(dǎo)通)狀態(tài)改變?yōu)镺FF(截止)狀態(tài)，并且NPN晶體管Q102的集電極電壓(電壓Q102 Vce)從L電平改變?yōu)镠電平。與此同時(shí)，在由推挽結(jié)構(gòu)構(gòu)成的用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的基極和發(fā)射極之間產(chǎn)生電壓差(電壓Q103Vbe)，PNP晶體管Q103從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。通過PNP晶體管Q103成為導(dǎo)通，在IGBT(Q101)內(nèi)的柵極電荷通過柵電阻Rgoff和PNP晶體管Q103被放電，因而IGBT(Q101)的柵極電壓(Vge)開始下降。
應(yīng)當(dāng)理解，在這個(gè)時(shí)刻，Pch-MOSFET(Q106)處于OFF狀態(tài)，Q106 Vds電壓是H電平，Pch-MOSFET(Q105)處于ON狀態(tài)，Q105Vds電壓是L電平，Pch-MOSFET(Q104)處于ON狀態(tài)，Q104 Vds電壓是L電平。
和IGBT(Q101)的柵極電壓Vge下降一起，在IGBT(Q101)的集電極電流Ic被斷開的同時(shí)，IGBT(Q101)的集電極電壓Vce開始上升。正在上升的集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt通過利用電容器C101的微分來檢測(C101電流)，通過電容器C101中流動(dòng)的微分的電流而在電阻R102兩端之間產(chǎn)生的電壓(R102兩端的電壓)被反饋到PNP晶體管Q103的基極電壓，用于驅(qū)動(dòng)截止柵極。
在這種情況下，在任何時(shí)刻用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的基極和發(fā)射極之間的電壓Vbe(Q103)由下式(1)給出Vbe(Q103)＝Vge-dVce/dt×C101×R102×{1-exp(-t/C101/R102)}(1)dVce/dt＝D1(常數(shù))其中Vge是IGBT(Q101)的柵極電壓(柵極和發(fā)射極之間)。dVce/dt是IGBT(Q101)的集電極電壓的時(shí)間變化，其被表示為常數(shù)D1。C101是電容器C101的電容，R102是電阻R102的電阻值。
當(dāng)電容器和電阻串聯(lián)連接作為微分電路并且具有預(yù)定的時(shí)間變化的電壓改變dV/dt已被輸入到所述電容器時(shí)，上面式(1)的右側(cè)的第二項(xiàng)與作為瞬變響應(yīng)公式給出所述電阻的兩端之間產(chǎn)生的電壓的時(shí)間變化的一項(xiàng)相同。
上面的公式(1)表示，當(dāng)在IGBT(Q101)被截止時(shí)上升的集電極電壓Vce的時(shí)間變化dVce/dt改變時(shí)，在基極和發(fā)射極之間的電壓Vbe(Q103)線性地改變，所述電壓確定用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的操作狀態(tài)。作為由于在PNP晶體管Q103的基極和發(fā)射極之間的電壓Vbe(Q103)變化而引起的IGBT(Q101)的柵極電荷的放電量的連續(xù)改變的結(jié)果，當(dāng)截止時(shí)IGBT(Q101)的集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt被反饋控制為一個(gè)恒值D1。
在IGBT(Q101)的集電極電流Ic處于正常的電流范圍的狀態(tài)下，當(dāng)IGBT(Q101)以這種方式截止時(shí)，因?yàn)榧姌O電壓的時(shí)間變化(dVce/dt)通過由于電容C101和電阻R102而存在的時(shí)間常數(shù)所確定的增益來檢測，因而可以進(jìn)行用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的操作狀態(tài)的連續(xù)反饋控制，以使得保持集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt為恒值D1。
在上述的集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt的反饋控制期間，IGBT(Q101)的集電極電流Ic的時(shí)間變化dIc/dt被保持為恒值(被表示為d1)。結(jié)果，當(dāng)IGBT(Q101)截止時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓Vs被保持為(dIc/dt)×Ls＝d1×Ls。因?yàn)樯鲜龅挠糜诩姌O電壓的時(shí)間變化dVce/dt的反饋控制進(jìn)行直到恰好在IGBT(Q101)的截止完成之前，其不受IGBT(Q101)的集電極電流Ic的大小或者IGBT(Q101)的特性差異的影響，因而由于IGBT(Q101)而產(chǎn)生的浪涌電壓Vs被抑制到一個(gè)小的電平。
應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)镮GBT(Q101)的集電極電流處于正常的電流范圍內(nèi)，為進(jìn)行過量的電流檢測而提供的比較器I101的輸出信號(hào)電平在IGBT(Q101)開始其截止操作的時(shí)刻t1之后也保持為H電平。因而，Pch-MOSFET Q106的截止?fàn)顟B(tài)被繼續(xù)，來自較高電平控制器的輸入電壓Vin的信號(hào)電平在緩沖器IC(I102)的輸入信號(hào)電平保持原樣。
在時(shí)刻t2，當(dāng)較高電平控制器(圖中未示出)把輸入電壓Vin從H電平改變?yōu)長電平而使IGBT(Q101)導(dǎo)通時(shí)，緩沖器IC(I102)在阻抗變換之后把反相信號(hào)從L電平改變?yōu)镠電平(I102的輸出電壓)。
當(dāng)緩沖器IC(I102)的輸出電平變?yōu)镠電平時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通柵極的NPN晶體管Q102從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，NPN晶體管Q102的集電極電壓(電壓Q102 Vce)從H電平變?yōu)長電平。與此同時(shí)，Pch-MOSFET Q105從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，電壓Q105 Vds從低電平L變?yōu)楦唠娖紿。Pch-MOSFET Q105是使得用于驅(qū)動(dòng)IGBT(Q101)的截止柵極的PNP晶體管Q103截止所需的開關(guān)元件。換句話說，借助于使Pch-MOSFET Q105變?yōu)榻刂?，用于?qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的基極端在此時(shí)刻通過電阻R103和緩沖器IC(I102)的輸出的H電平相連。這樣，用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103被可靠地截止，因而電壓Q103 Vce成為高電平。
下面說明在IGBT(Q101)的集電極電流變?yōu)檫^量的狀態(tài)下IGBT(Q101)被截止的情況。
檢測端電流Is按照導(dǎo)通的IGBT(Q101)的集電極電流Ic從IGBT(Q101)的檢測端S流入電阻R101。IGBT(Q101)被這樣構(gòu)成，使得其檢測端電流Is和其集電極電流Ic的比具有一個(gè)預(yù)定的電流比(由IGBT的器件結(jié)構(gòu)確定)。
當(dāng)在時(shí)刻t3由這個(gè)檢測端電流Is在電阻R101的兩端之間產(chǎn)生的電壓超過門限電壓值Vth時(shí)(換句話說，當(dāng)集電極電流Ic超過其允許值時(shí))，比較器I101的計(jì)算的比較輸出從H電平變?yōu)長電平。當(dāng)比較器I101的輸出信號(hào)變?yōu)長電平時(shí)，Pch-MOSFET Q106從截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，電壓Q106 Vds變?yōu)長電平。因此，IGBT(Q101)改變?yōu)榻刂共僮?，即使來自較高電平控制器的輸入電壓Vin的信號(hào)電平為L電平，這是因?yàn)?，由于Pch-MOSFET Q106變?yōu)閷?dǎo)通，緩沖器IC I102的輸入信號(hào)和電源電壓Vcc相連(即，變?yōu)镠電平)。
緩沖器IC(I102)在阻抗變換之后把反相信號(hào)從H電平變?yōu)長電平(I102輸出電壓)。當(dāng)緩沖器IC(I102)的輸出信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通柵極的NPN晶體管Q102從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，并且這個(gè)NPN晶體管Q102的集電極電壓(電壓Q102 Vce)從L電平改變?yōu)镠電平。與此同時(shí)，在PNP晶體管Q103的基極和發(fā)射極之間產(chǎn)生一個(gè)電壓差(電壓Q103 Vbe)，用于驅(qū)動(dòng)由推挽結(jié)構(gòu)構(gòu)成的截止柵極，并且這個(gè)PNP晶體管Q103從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。由于PNP晶體管Q103變?yōu)閷?dǎo)通，在IGBT(Q101)內(nèi)的柵極電荷通過柵電阻Rgoff和PNP晶體管Q103放電，因而IGBT(Q101)的柵極電壓Vge開始下降。
在這個(gè)時(shí)刻，Pch-MOSFET Q106處于導(dǎo)通狀態(tài)，電壓Q106 Vds是L電平，Pch-MOSFET Q105處于導(dǎo)通狀態(tài)，電壓Q105 Vds是L電平，并且Nch-MOSFET Q104處于截止?fàn)顟B(tài)，電壓Q104 Vds是H電平。
在和IGBT(Q101)的柵極電壓Vge的下降一起IGBT(Q101)的集電極電流Ic被斷開的同時(shí)，IGBT(Q101)的集電極電壓Vce開始上升。正在上升的集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt通過利用電容器C101的微分(C101的電流)檢測，并且通過流入電容器C101的微分電流在電阻R103兩端之間產(chǎn)生的電壓(即R103兩端的電壓)被反饋到用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的基極電壓。
在這種情況下，在任何時(shí)刻t，用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管的基極和發(fā)射極之間的電壓Vbe(Q103)’由下式(2)給出Vbe(Q103)’＝Vge’-dVce/dt’×C101×R103×{1-exp(-t/C101/R103)}(2)dVce/dt’＝D2(常數(shù))其中Vge’是IGBT(Q101)的柵極和發(fā)射極之間的電壓。dVce/dt’是IGBT(Q101)的集電極電壓的時(shí)間變化，其由常數(shù)D2給出。C101是電容器C101的電容，R103是電阻R103的電阻值。
因?yàn)槿绻鲜龅募姌O電流處于正常范圍內(nèi)并被反饋到用于驅(qū)動(dòng)截止柵極的PNP晶體管Q103的基極電壓，IGBT(Q101)的集電極電壓的時(shí)間變化(dVce/dt)’的檢測的增益被轉(zhuǎn)換到檢測增益，因而IGBT(Q101)的集電極電壓的時(shí)間變化(dVce/dt)’被改變成恒定的值D2。當(dāng)集電極電壓的時(shí)間變化(dVce/dt)’的檢測的增益為高時(shí)，對(duì)PNP晶體管Q103的基極電壓的反饋量增加，因而放電速度變慢。與此相反，如果檢測的增益低，則由于PNP晶體管Q103而進(jìn)行的放電速度變高。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，放電速度通過在集電極電流為正常時(shí)和不正常時(shí)(即，在過量的電流期間)之間轉(zhuǎn)換檢測增益來控制。
即使IGBT(Q101)在集電極電流已經(jīng)產(chǎn)生過量電流的狀態(tài)下截止，以和當(dāng)在集電極電流處于正常范圍內(nèi)的狀態(tài)下被截止時(shí)相同的方式，可以抑制浪涌電壓Vs，因?yàn)樯鲜龅姆答伩刂埔恢边M(jìn)行直到正好在IGBT(Q101)的截止完成之前。
當(dāng)經(jīng)由柵電阻Rgoff和PNP晶體管Q103進(jìn)行的柵極電荷的放電完成時(shí)(即當(dāng)柵極電壓Vge為0時(shí))，IGBT(Q101)截止。在另一方面，收到誤差信號(hào)110的較高電平控制器(圖中未示出)在時(shí)間點(diǎn)t3之后預(yù)定的定時(shí)把輸入電壓Vin的電平從L改變?yōu)镠。
集電極電壓的時(shí)間變化值dVce/dt＝D1和(dVce/dt)’＝D2在設(shè)計(jì)處理期間被確定，使得各個(gè)浪涌電壓Vs不超過預(yù)定的范圍(IGBT(Q101)的額定擊穿電壓)。D1和D2的值由各個(gè)電阻R102和R103的電阻值確定。
圖3是表示當(dāng)在集電極電流中產(chǎn)生過量電流的狀態(tài)下IGBT截止時(shí)流過所述IGBT的集電極電流Ic隨時(shí)間而變化的圖。在圖3中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示集電極電流Ic的幅值。曲線31是通過使用按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行截止時(shí)的截止曲線。曲線32是當(dāng)利用按照現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路使柵電阻值小時(shí)的截止線。曲線33是當(dāng)利用按照現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路使柵電阻值大時(shí)的截止線。
在圖3中，截止操作在時(shí)間點(diǎn)t開始，利用按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路，隨時(shí)間而減小的速率被控制為幾乎等于常數(shù)，直到集電極電流Ic變得小于a，如曲線31所示。在利用現(xiàn)有技術(shù)使柵電阻值小的情況下，如曲線32所示，在截止開始之后，集電極電流Ic減小的速率大，而隨著集電極電流Ic的減小，所述減小的速率變得較小。并且，在利用現(xiàn)有技術(shù)使柵電阻值大的情況下，如曲線33所示，集電極電流Ic的減小速率小，因而直到完成截止操作的時(shí)間間隔長。
圖4是表示當(dāng)在集電極電流中產(chǎn)生過量電流(過電流)的狀態(tài)下IGBT截止時(shí)所述IGBT的集電極電壓Vce隨時(shí)間變化的速率的圖。在圖4中，橫軸表示時(shí)間，縱軸表示集電極電壓Vce的幅值。曲線41是通過使用按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行截止時(shí)的截止曲線。曲線42是當(dāng)利用按照現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路使柵電阻值小時(shí)的截止線。曲線43是當(dāng)利用按照現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路使柵電阻值大時(shí)的截止線。
在圖4中，截止操作在時(shí)間點(diǎn)t開始。利用按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路，集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt被控制為幾乎等于常數(shù)，直到集電極電流Ic變得小于a，如曲線41所示。由曲線41所示的集電極電壓Vce的峰值在3個(gè)曲線41-43當(dāng)中是最小的。在利用現(xiàn)有技術(shù)使柵電阻值小的情況下，如曲線42所示，集電極電壓Vce的峰值最大，這是因?yàn)榧姌O電流Ic的減小速率大。并且在利用現(xiàn)有技術(shù)使柵電阻值大的情況下，如曲線43所示，集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt變得緩和，但是用于截止操作的時(shí)間間隔長。
由圖3和圖4可以清楚地看出，利用按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路，能夠抑制集電極電壓Vce的峰值，沒有由于增加?xùn)烹娮柚刀鸬挠糜诮刂沟臅r(shí)間間隔的延長。
現(xiàn)在對(duì)上述的優(yōu)選實(shí)施例總結(jié)如下。
(1)利用按照本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)IGBT(Q101)導(dǎo)通時(shí)，由NPN晶體管Q102通過電阻Rgon從柵極端G提供電荷(充電)，以便驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通柵極導(dǎo)通；同時(shí)，當(dāng)IGBT(Q101)截止時(shí)，由PNP晶體管Q103通過電阻Rgoff從柵極端G使電荷放電，以便驅(qū)動(dòng)截止柵極截止。
(2)用于驅(qū)動(dòng)截止門的PNP晶體管Q103的導(dǎo)通狀態(tài)按照IGBT(Q101)的集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt控制反饋。因而，可以隨集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt線性地改變從柵極端G放電的柵極電荷放電量，并且可以控制集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt為恒值(D1或D2)。這樣，可以使集電極電流Ic的時(shí)間變化dIc/dt大致恒定，并且，即使在過電流期間，也不會(huì)產(chǎn)生過大的浪涌電壓，并且可以在一個(gè)短的時(shí)間間隔內(nèi)(即，快速地)使IGBT(Q101)截止。
(3)通過按照集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt進(jìn)行反饋控制，使得難于受到由于IGBT(Q101)的特性偏差或者由于在集電極電流傳輸通路(匯流條等)中的寄生電感Ls造成的任何影響。因此，可以這樣進(jìn)行截止轉(zhuǎn)換，即，使得浪涌電壓保持在一個(gè)固定值內(nèi)，而不管特性偏差和寄生電感值如何。
(4)借助于使得在IGBT(Q101)中不產(chǎn)生過大的浪涌電壓，可以使用額定擊穿電壓(集電極耐電壓)低的元件作為IGBT(Q101)，因而可以減小IGBT的尺寸。此外，因?yàn)榭梢允沟肐GBT的集電極飽和電壓是低的，還可以限制由IGBT產(chǎn)生的損失。
在上面的說明中，用于檢測集電極電壓的時(shí)間變化dVce/dt的增益由電容C101和電阻的時(shí)間常數(shù)確定，當(dāng)所述增益要在當(dāng)集電極電流正常時(shí)和當(dāng)集電極電流過量時(shí)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，通過在電阻值不同的電阻R102和電阻R103之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)換這個(gè)檢測增益。代替這個(gè)方案，提供其電容和電容器C101的電容不同的電容器C102，并通過在電容器C101和電容器C102之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換來轉(zhuǎn)換檢測增益也是可接受的。
代替在電容器C101和電容器C102之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使電容器C101與電容器C102并聯(lián)連接，并通過切斷所述并聯(lián)連接的電容器C102來改變檢測的增益也是可接受的。
上述的實(shí)施例是一些例子，不脫離本發(fā)明的構(gòu)思，可以作出各種改變。
參考文件下面的在先申請(qǐng)的內(nèi)容被包括在此作為參考2004年3月19日申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?004-081571的日本專利申請(qǐng)。
權(quán)利要求
1.一種用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，包括電荷供應(yīng)單元，用于當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件導(dǎo)通時(shí)向其柵極端提供電荷；電荷排出單元，用于當(dāng)該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件截止時(shí)從其柵極端排出電荷；以及放電控制單元，用于控制由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電，以使得當(dāng)該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件截止時(shí)，其集電極電流隨時(shí)間減小的速率接近于一個(gè)預(yù)定值。
2.一種用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，包括電荷排出單元，用于當(dāng)該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件截止時(shí)從其柵極端排出電荷；以及放電控制單元，用于檢測該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電壓的時(shí)間變化，并用于按照被檢測到的集電極電壓的時(shí)間變化控制由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電。
3.如權(quán)利要求2所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，還包括電流檢測單元，用于檢測該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電流，以及其中所述放電控制單元按照由所述電流檢測單元檢測的電流值改變由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電的速度。
4.如權(quán)利要求3所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述放電控制單元包括一個(gè)微分電路，所述微分電路包括電阻元件和電容元件，并且對(duì)所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電壓的變化進(jìn)行微分；所述電荷排出單元包括PNP晶體管，所述晶體管的發(fā)射極端和所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的柵極端相連，該晶體管的集電極端和所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的發(fā)射極端相連；以及來自所述微分電路的微分輸出被輸入給所述PNP晶體管的基極端。
5.如權(quán)利要求4所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述微分電路的電阻元件包括具有第一電阻值的第一電阻元件和具有第二電阻值的第二電阻元件，所述第二電阻值大于所述第一電阻值，它們可以被選擇地轉(zhuǎn)換；以及所述放電控制單元當(dāng)由所述電流檢測單元檢測的電流值小于或等于一個(gè)預(yù)定值時(shí)轉(zhuǎn)換到所述第一電阻元件，以及，當(dāng)由所述電流檢測單元檢測的電流值大于所述預(yù)定值時(shí)轉(zhuǎn)換到所述第二電阻元件。
6.如權(quán)利要求2所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，還包括電荷供應(yīng)單元，用于當(dāng)所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件被導(dǎo)通時(shí)向所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的柵極端提供電荷；所述電荷供應(yīng)單元包括NPN晶體管；所述電荷排出單元包括PNP晶體管；信號(hào)輸出電路，其具有推挽結(jié)構(gòu)，并向所述NPN晶體管的基極端輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；電容元件，第一電阻元件，以及第一開關(guān)元件，它們被連接在所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極端和發(fā)射極端之間，并被串聯(lián)連接；以及第二電阻元件，其一端和所述電容元件與所述第一電阻元件的連接點(diǎn)相連，另一端和所述信號(hào)輸出電路的輸出端相連，其中所述電容元件、第一電阻元件和第二電阻元件的連接點(diǎn)與所述PNP晶體管的基極端相連；以及由于所述電容元件和所述第一電阻元件而具有的時(shí)間常數(shù)以及由于所述電容元件和所述第二電阻元件而具有的時(shí)間常數(shù)按照第一開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)在其間被轉(zhuǎn)換。
7.如權(quán)利要求6所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，還包括第二開關(guān)元件，其被串聯(lián)連接在所述第一電阻元件和所述第一開關(guān)元件之間，并且按照來自所述信號(hào)輸出電路的輸出信號(hào)電平被轉(zhuǎn)換，并且其中當(dāng)所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件被截止時(shí)，借助于從信號(hào)輸出電路輸出的輸出信號(hào)，所述第二開關(guān)元件被導(dǎo)通以引起所述PNP晶體管操作。
8.如權(quán)利要求2所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述放電控制單元對(duì)由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電進(jìn)行控制，以使得所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電流隨時(shí)間減小的速率接近于一個(gè)預(yù)定值。
9.如權(quán)利要求2所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述放電控制單元這樣控制由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電，以使得所述集電極電壓的時(shí)間變化為常數(shù)。
10.如權(quán)利要求3所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中當(dāng)由所述電流檢測單元檢測的電流值大于或等于一個(gè)預(yù)定值時(shí)，所述放電控制單元對(duì)由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電進(jìn)行控制，以使得放電的速度比當(dāng)所述電流值小于所述預(yù)定值時(shí)的速度要慢。
11.如權(quán)利要求3所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述放電控制單元對(duì)由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電進(jìn)行控制，以使得集電極電壓的時(shí)間變化為恒值，并且，當(dāng)由所述電流檢測單元檢測的電流值大于或等于一個(gè)預(yù)定值時(shí)，控制由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電，以使得集電極電壓的時(shí)間變化比當(dāng)所述電流值小于所述預(yù)定值時(shí)的時(shí)間變化要小。
12.如權(quán)利要求2所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述放電控制單元包括微分電路，其檢測集電極電壓的時(shí)間變化并向所述電荷排出單元反饋檢測的時(shí)間變化。
13.如權(quán)利要求3所述的用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，其中所述放電控制單元包括微分電路，其檢測集電極電壓的時(shí)間變化，并向電荷排出單元反饋檢測的時(shí)間變化，以及通過按照由所述電流檢測單元檢測的電流值轉(zhuǎn)換構(gòu)成所述微分電路的電阻元件來改變由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電的速度。
14.一種用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，包括電荷排出裝置，用于當(dāng)所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件被截止時(shí)從其柵極端排出電荷；以及放電控制裝置，用于檢測所述電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電壓的時(shí)間變化，以及用于按照被檢測到的集電極電壓的時(shí)間變化來控制由所述電荷排出裝置進(jìn)行的放電。
全文摘要
一種用于電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的驅(qū)動(dòng)電路，包括電荷排出單元，用于當(dāng)該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件被截止時(shí)從其柵極端排出電荷；以及放電控制單元，用于檢測該電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件的集電極電壓的時(shí)間變化，并用于按照被檢測到的集電極電壓的時(shí)間變化控制由所述電荷排出單元進(jìn)行的放電。
文檔編號(hào)H03K17/56GK1671049SQ20051005636
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者東和幸 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車株式會(huì)社