專(zhuān)利名稱(chēng)：Rc-igbt的導(dǎo)通狀態(tài)檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)內(nèi)容涉及一種用于控制反向?qū)ń^緣柵極雙極晶體管(RC-IGBT)的方法， 具體地涉及一種用于檢測(cè)穿過(guò)RC-IGBT的電流的方向的方法。
背景技術(shù)：
常規(guī)IGBT例如在常規(guī)逆變器電路中用來(lái)調(diào)節(jié)與電機(jī)有關(guān)的電感負(fù)載。常規(guī)逆變器電路包括常規(guī)IGBT，如果IGBT例如將與牽連電感負(fù)載特性的電機(jī)結(jié)合應(yīng)用則變得有必要將每個(gè)IGBT并聯(lián)連接到續(xù)流(free-wheeling) 二極管以允許雙向電流。然而并聯(lián)續(xù)流二極管的應(yīng)用涉及到諸多弊端，即IGBT外殼將被設(shè)計(jì)成以同樣方式容納IGBT本體和單獨(dú)續(xù)流二極管二者，并且兩個(gè)部件的接合是比較復(fù)雜和昂貴的問(wèn)題。為了避免這些弊端，比如在美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)2007/0231973 Al中公開(kāi)的反向?qū)?IGBT (所謂RC-IGBT)已變得普遍，其中IGBT和續(xù)流二極管單片形成為一個(gè)簡(jiǎn)單半導(dǎo)體部件。P摻雜集電極區(qū)因切片而局部破壞，其中η摻雜半導(dǎo)體材料接觸集電極金屬化從而在發(fā)射極結(jié)構(gòu)、輕度摻雜漂移區(qū)和在MOS溝道區(qū)中的ρ摻雜材料之間造成所謂PIN電極結(jié)構(gòu)。反并聯(lián)連接到IGBT的常規(guī)續(xù)流二極管的導(dǎo)通狀態(tài)未依賴于IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)，而 RC-IGBT的本征續(xù)流二極管受RC-IGBT的MOS溝道區(qū)的導(dǎo)通狀態(tài)影響。也就是說(shuō)，如果在 RC-IGBT的反向?qū)顟B(tài)期間經(jīng)由它的柵極電極觸發(fā)它，則MOS溝道為導(dǎo)通。由于MOS溝道允許雙向電流，所以在反向?qū)窂街械碾娮訉⒃谟|發(fā)的柵極電極情況下發(fā)現(xiàn)附加電流路徑。這樣，正向電壓降可能在PIN 二極管結(jié)構(gòu)中顯著增加，因?yàn)椴⒎撬须娮佑兄赑IN 二極管的溢流，這在多數(shù)情況下不合需要。出版物DE 10 2009 001 029 Al教導(dǎo)一種如何克服前文描述問(wèn)題的控制方法和對(duì)應(yīng)電路結(jié)構(gòu)，該控制方法涉及到用于檢測(cè)RC-IGBT中的電流方向的方法。具體地借助于常用Vrasat檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)電流方向，VCEsat代表RC-IGBT的集電極-發(fā)射極飽和電壓。關(guān)于 VCEsat檢測(cè)電路的一個(gè)弊端可能在于高阻塞能力的至少一個(gè)(或者多個(gè)串聯(lián))二極管是必需的，這些二極管一方面比較昂貴而另一方面它們由于所需的爬電距離(electric creepage distance)而在功率電子布置內(nèi)具有大空間。需要克服或者至少緩解上文討論的問(wèn)題。另外需要提供一種用于防止RC-IGBT在處于它的反向?qū)顟B(tài)時(shí)經(jīng)由它的柵極電極進(jìn)行接通的電路布置和對(duì)應(yīng)方法。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)了一種電路布置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該電路布置包括反向?qū)↖GBT，配置成允許在正向方向上和在反向方向上導(dǎo)通負(fù)載電流，IGBT具有負(fù)載電流路徑和柵極電極；柵極控制單元，耦合到柵極電極并且配置成通過(guò)分別根據(jù)柵極控制信號(hào)對(duì)柵極電極進(jìn)行充電或者放電來(lái)激活或者去激活I(lǐng)GBT ；監(jiān)視單元，配置成通過(guò)感測(cè)因由于反向?qū)↖GBT改變成它的反向?qū)顟B(tài)而改變?cè)谪?fù)載路徑兩端的電壓降所引起的柵極電流來(lái)檢測(cè)IGBT是否在反向方向上導(dǎo)通電流，其中柵極控制單元還被配置成在監(jiān)視單元檢測(cè)到IGBT處于它的反向?qū)顟B(tài)時(shí)去激活I(lǐng)GBT或者防止激活I(lǐng)GBT。另外，公開(kāi)了一種用于檢測(cè)IGBT是處于正向?qū)顟B(tài)還是處于反向?qū)顟B(tài)的方法。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法包括提供具有負(fù)載路徑的反向?qū)顟B(tài)；并且感測(cè)因由于反向?qū)↖GBT改變成它的反向?qū)顟B(tài)而改變?cè)谪?fù)載路徑兩端的電壓降所引起的柵極電流。根據(jù)本發(fā)明的電路布置和方法也可以用于任何場(chǎng)效應(yīng)晶體管而不限于IGBT。本領(lǐng)域技術(shù)人員將在閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)并且在查看附圖時(shí)認(rèn)識(shí)到附加特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖中的部件未必按比例繪制而是著重于圖示本發(fā)明的原理。此外，在圖中相似標(biāo)號(hào)表示對(duì)應(yīng)部分。在附圖中
圖1圖示了連接到包括電感器的負(fù)載阻抗的IGBT半橋電路； 圖2圖示了圖1的IGBT半橋，該IGBT半橋包括用于每個(gè)晶體管的柵極控制單元； 圖3圖示了如下表，該表列舉圖2的半橋IGBT依賴于對(duì)應(yīng)IGBT的負(fù)載電流方向的導(dǎo)通狀態(tài)；
圖4圖示了具有如下柵極控制單元的IGBT，該柵極控制單元監(jiān)視對(duì)應(yīng)IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)并且根據(jù)它的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)切換晶體管；
圖5圖示了與RC-IGBT有關(guān)的主導(dǎo)寄生輸入電容； 圖6圖示了用于使用柵極驅(qū)動(dòng)器電路進(jìn)行柵極電流感測(cè)的多種選項(xiàng)； 圖7圖示了一種用于借助于連接到柵極驅(qū)動(dòng)器電路的電流鏡進(jìn)行柵極電流感測(cè)的有利電路布置；
圖8圖示了圖1中的逆變器半橋和圖7中的電路布置的控制信號(hào)、電流和電壓的示意時(shí)間響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式絕緣柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGBT)通常操作為讓續(xù)流二極管反并聯(lián)連接到它們的負(fù)載電流路徑。根據(jù)負(fù)載電流方向和IGBT柵極信號(hào)，這樣的IGBT和二極管的并聯(lián)電路可能處于正向?qū)顟B(tài)、處于反向?qū)顟B(tài)或者處于正向阻塞狀態(tài)。在本示例中，負(fù)載電流方向?qū)嵸|(zhì)上由電感負(fù)載的狀態(tài)確定。正向電流流過(guò)IGBT的負(fù)載電流路徑(集電極-發(fā)射極路徑)， 而反向電流流過(guò)二極管。在反向?qū)ㄆ陂g，無(wú)論IGBT的柵極是被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)至高電平還是低電平，二極管的導(dǎo)通狀態(tài)都不受IGBT影響。所謂反向?qū)↖GBT (RC-IGBT)具有本征反向二極管，使得無(wú)需單獨(dú)續(xù)流二極管。 然而本征反向二極管的導(dǎo)通行為嚴(yán)重依賴于RC-IGBT的柵極是被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)至高電平還是低電平。在RC-IGBT中，如果IGBT柵極被驅(qū)動(dòng)至高電平，則在本征反向二極管兩端的反向電壓降增加至不希望有的高電平。反向電壓由此可以視為在內(nèi)部續(xù)流二極管的負(fù)載路徑兩端的陽(yáng)極-陰極電壓。RC-IGBT常用于(功率)轉(zhuǎn)換器中，其中IGBT半橋用來(lái)控制每個(gè)相電流。圖1示意地圖示了這樣的半橋。IGBT半橋可以包括串聯(lián)連接的兩個(gè)η溝道IGBT T1TOP、Τ1ΜΤ。在半橋兩端(即在高側(cè)晶體管Titop的集電極與低側(cè)晶體管Timt的發(fā)射極之間)施加操作電壓VDc (中間電壓或者DC鏈路電壓)。高側(cè)晶體管Titop的集電極電勢(shì)在這里稱(chēng)為Vrc，而底部晶體管Titot的發(fā)射極電勢(shì)在這里稱(chēng)為VEE。Titop和Timt的共同電路節(jié)點(diǎn)為半橋的向連接的負(fù)載阻抗提供輸出電流i·(也稱(chēng)為相電流)的輸出節(jié)點(diǎn)。在多數(shù)情況下，負(fù)載阻抗包括電感負(fù)載。通常，DC鏈路電壓相對(duì)于參考電勢(shì)GND為對(duì)稱(chēng)的，即Vee=VDe/2并且VEE=-VDe/2。在本情況下，負(fù)載連接于半橋的輸出與參考電勢(shì)GND之間。為每個(gè)晶體管T1TOP、Tibot提供柵極控制單元10以控制輸出電流(半橋輸出電流)。柵極控制單元10可以包括如在這里后文描述的圖4中所示的柵極驅(qū)動(dòng)器單元102，該柵極驅(qū)動(dòng)器單元可以被配置成實(shí)現(xiàn)電流iOTT的特定時(shí)間響應(yīng)(即邊緣整形電流階梯)和/或防止半橋被短路。向兩個(gè)柵極控制單元10提供(二元)柵極控制信號(hào)Sitop和Simt，每個(gè)柵極控制信號(hào)表明對(duì)應(yīng)晶體管Titop或者Timt的所希望導(dǎo)通狀態(tài)。在圖2中圖示了包括柵極控制單元10的轉(zhuǎn)換器半橋。圖3圖示了半橋(例如圖2中所圖示的半橋)的四個(gè)可能切換狀態(tài)。根據(jù)控制信號(hào) Sitop和Sitot以及可以由電感負(fù)載確定的輸出電流iOTT (負(fù)載電流)的方向，半橋輸出節(jié)點(diǎn)的輸出電勢(shì)(近似)取值VEE=-VDe/2或者Vee=VDe/2。參照?qǐng)D3，在切換狀態(tài)I中，兩個(gè)RC-IGBT控制信號(hào)S1TQP、Sibqt將對(duì)應(yīng)晶體管驅(qū)動(dòng)至它的關(guān)斷狀態(tài)。因此，輸出電流iOTT可以根據(jù)輸出電流的方向而僅流過(guò)晶體管Titop或者晶體管Timt的本征反向二極管。也就是說(shuō)，輸出電流流過(guò)頂部晶體管Titop的本征續(xù)流二極管或者流過(guò)底部晶體管的續(xù)流二極管。因而，輸出電勢(shì)為Vee (在負(fù)輸出電流的情況下)或者\(yùn)c (在正輸出相電流的情況下)，這為純近似，因?yàn)楸菊鞫O管的正向電壓降在上文考慮中被忽略。再次參照?qǐng)D3，在切換狀態(tài)II中，僅驅(qū)動(dòng)晶體管Timt以便采取它的導(dǎo)通狀態(tài)(即 S1BOT=I> Sitop=O)(也稱(chēng)為接通狀態(tài))。因此獨(dú)立于輸出電流iOTT的方向，輸出電勢(shì)近似等于 VEE。在正輸出電流i·(正電流在如圖2中的由指代的箭頭所表明的方向上流動(dòng))的情況下，晶體管Titot處于它的正向?qū)顟B(tài)，而在負(fù)輸出電流的情況下，Tibot處于它的反向?qū)顟B(tài)。切換狀態(tài)III與狀態(tài)II互補(bǔ)。狀態(tài)IV指代其中晶體管Titot和Titop 二者均被驅(qū)動(dòng)至它們的正向?qū)顟B(tài)(即 S1TOP=S1BOT=I)的狀態(tài)。然而在這樣的狀態(tài)中，DC鏈路電壓Vdc將被短路，這可能造成故障或者甚至破壞半橋。柵極驅(qū)動(dòng)器電路因此應(yīng)當(dāng)被配置成防止這樣的半橋擊穿。在切換狀態(tài)II和III中，當(dāng)晶體管在處于反向?qū)顟B(tài)時(shí)被激活(即分別Sitop=I 或者Simt=I)時(shí)可能出現(xiàn)上文提到的問(wèn)題。在這一情況下，在它的負(fù)載路徑兩端的電壓降將明顯增加，這將不可避免地造成增加的損耗并且因而造成顯著發(fā)熱。更確切地說(shuō)，在負(fù)輸出電流的情況下在狀態(tài)II中而在正輸出電流的情況下在狀態(tài)III中可能出現(xiàn)問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例構(gòu)建的電路布置可能解決或者至少部分緩解該問(wèn)題。圖4圖示了包括如下反向?qū)↖GBT Tl的電路布置，該IGBT Tl能夠經(jīng)由它的負(fù)載路徑在正向方向上(經(jīng)由MOS溝道)以及在反向方向上(經(jīng)由本征反并聯(lián)反向二極管)導(dǎo)通負(fù)載電流。晶體管T1包括連接到柵極控制單元10的柵極電極G，該柵極控制單元根據(jù)對(duì)應(yīng)控制信號(hào)S1驅(qū)動(dòng)IGBT的正向電流路徑接通和關(guān)斷。柵極控制單元10包括耦合到柵極電極G的柵極驅(qū)動(dòng)器單元102，該柵極控制單元10被配置成根據(jù)控制信號(hào)S1向柵極G供應(yīng)適當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，因此將晶體管的正向電流路徑切換成接通狀態(tài)或者關(guān)斷狀態(tài)。根據(jù)晶體管T1是將被電流驅(qū)動(dòng)還是被電壓驅(qū)動(dòng)，向柵極電極G供應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)可以是適當(dāng)柵極-發(fā)射極電壓或者柵極電流ieATE。關(guān)于信號(hào)S1如何可以被阻塞或者消隱(blank)以便即使在S1處于高電平時(shí)防止晶體管Tl接通，有多種備選方案。例如信號(hào)S1在被許可進(jìn)入生成柵極控制信號(hào)的柵極驅(qū)動(dòng)器單元102之前穿過(guò)與(AND)門(mén)103。電流方向信號(hào)Svk由柵極驅(qū)動(dòng)器單元102和在這里后文描述的更多部件生成并且施加到與門(mén)103的輸入。假設(shè)SVK=0，如果晶體管T1處于它的反向?qū)顟B(tài)，則信號(hào)S1將在到達(dá)柵極驅(qū)動(dòng)器單元102之前被消隱。因此防止信號(hào)S1在晶體管T1處于它的反向?qū)顟B(tài)時(shí)激活晶體管1\。另外假設(shè)SVK=1，如果晶體管未處于它的反向?qū)顟B(tài)(接通狀態(tài)或者阻塞)，則信號(hào)S1未被消隱且繼續(xù)傳到柵極驅(qū)動(dòng)器單元102，該柵極驅(qū)動(dòng)器單元然后可以生成將晶體管切換成它的接通狀態(tài)的適當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。寄生電容視為每個(gè)電子開(kāi)關(guān)所固有，因此也為如在圖1至圖4中介紹的示例中使用的RC-IGBT所固有。在圖5的電路圖中圖示了柵極-集電極電容Ce。和柵極-發(fā)射極電容CeE。然而如與柵極-集電極電容Ce。比較，可以在以下考慮中忽略柵極-發(fā)射極電容CeE。 為了對(duì)提到的電容(具體地為柵極-集電極電容Ce。)進(jìn)行充電和放電，柵極電流ieATE必須分別流入柵極電極G或者從中始發(fā)。在RC-IGBT的負(fù)載路徑(集電極-發(fā)射極路徑)兩端的電壓降的方向改變時(shí)對(duì)電容Ce。進(jìn)行充電或者放電。電壓降的方向改變由相應(yīng)IGBT的負(fù)載電流改變引起。電容Ce。的充電意味著如下位移電流，該位移電流造成本發(fā)明可以用來(lái)確定對(duì)應(yīng)RC-IGBT導(dǎo)通狀態(tài)的對(duì)應(yīng)柵極電流ie。為了獲得導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)Svk，柵極驅(qū)動(dòng)器單元102可以感測(cè)流向RC-IGBT的柵極電極G和從該柵極電極流動(dòng)的柵極電流。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。電流測(cè)量設(shè)備 (例如適當(dāng)安培計(jì))布置于柵極驅(qū)動(dòng)器的第一電源線中(設(shè)備Al)和/或第二電源線中(設(shè)備 A2)和/或柵極驅(qū)動(dòng)器輸出線中(設(shè)備A3)，該柵極驅(qū)動(dòng)器輸出線在普通文獻(xiàn)中有時(shí)稱(chēng)為‘柵極接線’?？稍O(shè)想地，三個(gè)電流測(cè)量設(shè)備中的兩個(gè)或者更多電流測(cè)量設(shè)備也可以布置于根據(jù)本發(fā)明的電路中。備選地，三個(gè)電流測(cè)量設(shè)備中的僅一個(gè)電流測(cè)量設(shè)備在許多應(yīng)用中可能足夠了。根據(jù)圖6中所圖示的示例，分流電阻&可以作為電流測(cè)量設(shè)備連接于柵極驅(qū)動(dòng)器單元102與連接的晶體管T1的柵極電極之間(即柵極電阻器插入于柵極驅(qū)動(dòng)器輸出線中)。 在這一情況下，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例，并聯(lián)電壓測(cè)量設(shè)備Vl可以用于感測(cè)柵極電流。有可能組合一個(gè)或者不止一個(gè)用于在這里描述的柵極電流感測(cè)的電流測(cè)量設(shè)備或者方法。根據(jù)本發(fā)明的另一示例，分流電阻布置于向柵極驅(qū)動(dòng)器單元102供應(yīng)的第一(高側(cè))和/或第二 (低側(cè))電源線中。再者，可以測(cè)量在分流電阻器兩端的電壓降，因此獲取代表柵極電流的測(cè)量值。要注意，電阻通常布置于柵極G與柵極驅(qū)動(dòng)器102的輸出之間。也可以使用通常稱(chēng)為柵極電阻Rg (未示出)的這一電阻作為用于電流感測(cè)的分流電阻器而不是附加分流電阻&。注意，即使在這里未明確提及，仍然可以根據(jù)本發(fā)明的示例采用電流測(cè)量設(shè)備與分流 (或者柵極)電阻的任何組合。仍然參照?qǐng)D6，示出了柵極驅(qū)動(dòng)器單元102由電壓源(V+、V_)供應(yīng)。電流感測(cè)設(shè)備Al或者A2可以插入于向柵極驅(qū)動(dòng)器單元102提供電流的電源線中?？赡茉跂艠O控制電路 10中的各種位置感測(cè)代表柵極電流的信號(hào)。另外，可以在相同電路中的不止一個(gè)位置執(zhí)行電流感測(cè)。圖7圖示了圖6的電流測(cè)量設(shè)備Al的一個(gè)具體實(shí)施方式
。另外，在圖7中圖示了柵極驅(qū)動(dòng)器單元102的一些細(xì)節(jié)。向在串聯(lián)電阻Rv兩端的發(fā)射極跟隨器級(jí)的柵極電極提供柵極控制信號(hào)S1 (如果未被消隱)。發(fā)射極跟隨器級(jí)(輸出級(jí))例如可以由雙極晶體管D1 (其可以是npn晶體管)和雙極晶體管& (其可以是pnp晶體管)形成。可以應(yīng)用任何晶體管類(lèi)型(即M0SFET)而不是雙極晶體管來(lái)實(shí)施發(fā)射極跟隨器級(jí)。發(fā)射極跟隨器級(jí)向在柵極驅(qū)動(dòng)器輸出線(或者柵極接線)兩端的RC-IGBT T1提供柵極電流ieATE。出于切換速度控制 (例如“邊緣整形”)的目的，在多數(shù)情況下柵極電阻&放置于柵極接線中。如圖7中所示，電流測(cè)量設(shè)備可以包括由晶體管M1和禮形成的電流鏡。電容器Ce 和與之并聯(lián)連接的電子開(kāi)關(guān)E1 (即另一晶體管)耦合到電流鏡，使得鏡像電流可以對(duì)電容器 Ce進(jìn)行充電。電流鏡提供跨越M1的第一電流路徑和跨越M2的電流路徑。第一電流路徑優(yōu)選地輸送柵極電流ieATE，而第二電流路徑輸送與柵極電流ieATE相等或者成正比的鏡像電流 iGATE*=n · Igate (其中η通常小于或者等于1)。柵極電流ieATE和鏡像電流ieAT/二者可以由電壓源V+和V-提供。如前文描述的那樣，正是RC-IGBT T1的性質(zhì)使得在它的集電極-發(fā)射極路徑兩端的電壓降突變(例如Vce電壓驟降)時(shí)本征寄生電容Cre (和CeE)將被充電或者放電從而造成對(duì)應(yīng)柵極電流i·。寄生柵極-集電極電容Cre的放電具體地由如下晶體管的集電極-發(fā)射極電壓(Vce)驟降引起，該晶體管當(dāng)前從正向阻塞轉(zhuǎn)到它的反向?qū)顟B(tài)。電壓驟降造成位移電流和可以在柵極接線(柵極電源線)中測(cè)量的相應(yīng)柵極電流。如果柵極電流ieATE穿過(guò)晶體管M1,則它被電流鏡鏡像，使得感測(cè)電容Ce將“發(fā)現(xiàn)”它的電荷狀態(tài)由鏡像電流ieAT/引起的改變。開(kāi)關(guān)E1可以用來(lái)對(duì)電容Ce進(jìn)行短路和放電。使用關(guān)系Qe=Ce* Vra (即通過(guò)測(cè)量 Cg兩端的電壓降Vra)來(lái)適當(dāng)監(jiān)視存儲(chǔ)于電容Ce中的電荷Qe。根據(jù)在電流ieATE與ieAT/之間的關(guān)系來(lái)適當(dāng)選擇Ce的值。因此，存儲(chǔ)于電容器Ce中的電荷是針對(duì)柵極電流ieATE的測(cè)量， 該柵極電流再次是針對(duì)RC-IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)的測(cè)量。為(如圖1中所示的)逆變器半橋的每個(gè)RC-IGBT提供如圖7中針對(duì)RC-IGBT T1描繪的電路布置(具體地為柵極驅(qū)動(dòng)器電路)。接下來(lái)給出對(duì)如何可以根據(jù)柵極電流ieATE (即根據(jù)電容Ce的電荷狀態(tài))導(dǎo)出RC-IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)的詳細(xì)描述?？紤]到開(kāi)關(guān)E1,只要E1斷開(kāi)，電容器Ce就由ieAT/充電。如果E1閉合，則將對(duì)電容器Ce進(jìn)行放電并因此初始化測(cè)量循環(huán)。根據(jù)實(shí)施例，可以與對(duì)應(yīng)RC-IGBT的柵極控制信號(hào) S1同步切換開(kāi)關(guān)Ep開(kāi)關(guān)E1在感測(cè)時(shí)段啟動(dòng)之前重置感測(cè)電容Ce的電荷狀態(tài)(即初始化步驟)，該感測(cè)時(shí)段是在確定RC-IGBT導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的時(shí)間間隔。圖8是如下時(shí)序圖，該時(shí)序圖描繪了在具有柵極控制單元10的比如圖1中所圖示的逆變器半橋中的信號(hào)、電壓和電流的時(shí)間響應(yīng)，每個(gè)半橋RC-IGBT(T1Bra、T1TOP)包括根據(jù)圖 7的柵極驅(qū)動(dòng)器電路布置，其中晶體管Tl可以是高側(cè)晶體管(Titop)或者低側(cè)晶體管(T1TOT)。在圖8中描繪了控制信號(hào)Sitot* Sitop的時(shí)間響應(yīng)，其中高信號(hào)意味著“接通晶體管”而低信號(hào)意味著“關(guān)斷晶體管”。假設(shè)正負(fù)載電流(參照?qǐng)D1中所表明的負(fù)載電流方向)，一旦底部晶體管Titot由它的控制信號(hào)Simt關(guān)斷，頂部晶體管Titop將處于它的反向?qū)顟B(tài)。對(duì)于負(fù)負(fù)載電流方向(再次參照?qǐng)D1中所表明的方向)，相同一致性是有效的， 但是將交換標(biāo)示符“top”和“bottom”。從圖8可見(jiàn)，底部晶體管Titot的關(guān)斷命令(即在時(shí)間瞬間t2或者t6)啟動(dòng)頂部晶體管Titop的反向?qū)顟B(tài)。在實(shí)踐中，在例如時(shí)間瞬間t2與t3或者t6與t7之間的停歇時(shí)間或者延遲時(shí)間tDEUY是不可避免的，意味著無(wú)一個(gè)控制信號(hào)Sitop或者Sitot為高并且無(wú)一個(gè)晶體管Titop或者Timt經(jīng)由它的柵極電極G接通以便避免擊穿。在瞬間t3或者t7，停歇時(shí)間tDEUY已流逝并且反向?qū)敳烤w管Titop的控制信號(hào)Sitop切換成高電平。如前文說(shuō)明的那樣，應(yīng)當(dāng)防止當(dāng)前反向?qū)≧C-IGBT Tl (Titqp或者Tibqt)的控制信號(hào)S1 (Sitqp或者 S1Bra)的低-高轉(zhuǎn)變以免接通晶體管。考慮到圖1中的逆變器半橋，這意味著應(yīng)當(dāng)使關(guān)于對(duì)應(yīng)RC-IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)的導(dǎo)通狀態(tài)信息可用。根據(jù)導(dǎo)通狀態(tài)信息，可以判決是否允許柵極控制信號(hào)S1接通它的對(duì)應(yīng)晶體管T1或者是否將控制信號(hào)S1消隱。從圖8還可見(jiàn)，在當(dāng)前反向?qū)≧C-IGBT (在本情況下為頂部晶體管Titop)和對(duì)應(yīng)控制信號(hào)(即Sitop)的即將發(fā)生的低-高轉(zhuǎn)變的情況下，它的集電極-發(fā)射極電壓V。E為零。 在這一情況下，Vce電壓從Vdc (這為理想化考慮)向零轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變也稱(chēng)為在提前停歇時(shí)間段(即tDELAY=t3-t2=t7-t6)發(fā)生的Vce電壓驟降。Vce電壓驟降可以被檢測(cè)并且用于生成導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)SVK。如已經(jīng)表明的那樣，在本情況下在反向?qū)敳烤w管Titop的集電極-發(fā)射極路徑兩端的V。E電壓驟降在寄生電容Ce。中電荷改變時(shí)引起位移電流從而造成柵極接線中的相應(yīng)柵極電流。停歇時(shí)間段tDEUY落在V。E電壓驟降的事件與導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)Svk必須可用的恰好時(shí)間瞬間之間，由此停歇時(shí)間段通常長(zhǎng)到足夠(即tDEUY彡1 μ s)用于選擇Vce電壓驟降事件并且導(dǎo)出穩(wěn)健導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)SVK?？紤]到圖8，Eitop閉合直至Sitop為高時(shí)的瞬間、。在到達(dá)瞬間、時(shí)，Eitop斷開(kāi)并且Cctqp不攜帶電荷。在停歇時(shí)間(即tDMftft。)在瞬間、已流逝時(shí)，底部IGBT Tibot由它的柵極電極接通(Simt在t=、經(jīng)歷低-高轉(zhuǎn)變)。在這一情況下啟用接通底部晶體管Titot， 因?yàn)槲礄z測(cè)到Timt的反向?qū)顟B(tài)。另外，接通底部晶體管Titot使負(fù)載電流iOTT從當(dāng)前反向?qū)敳烤w管Titop換向到現(xiàn)在正向?qū)ǖ撞烤w管Titot中。隨后，在頂部晶體管兩端的集電極-發(fā)射極電壓Vcetop從理想零增加至幾乎Vdc (DC鏈路電壓)。Vcetop的增加啟動(dòng)對(duì)頂部晶體管Qxtop的柵極-集電極電容進(jìn)行充電，(位移)電流ieATE在這一情況下例如如圖7 中所示的那樣穿過(guò)柵極電阻&和晶體管D2。由于柵極電流未通過(guò)晶體管Ml，所以未向感測(cè)電容器Ce傳送電荷，因此在感測(cè)電容Ce兩端的電壓Vra保持為零。到達(dá)時(shí)間瞬間t2，底部晶體管Titot的柵極控制信號(hào)切換成它的低狀態(tài)并且迫使柵極電極關(guān)斷。因而，負(fù)載電流i-瞬時(shí)換向到頂部晶體管Titop中。在頂部晶體管轉(zhuǎn)向它的反向?qū)顟B(tài)之前，頂部集電極-發(fā)射極電壓V。ETOP從理想VD。下降至零，使頂部晶體管的柵極-集電極電容Qxtop放電從而造成經(jīng)由柵極接線、柵極電阻Re、晶體管Dl和電流鏡晶體管 Ml的柵極電流ieATE。照此，放電電流ieATE由電流鏡晶體管M2鏡像。根據(jù)電流鏡比n，鏡像電流ieAT/=n · iGATE向感測(cè)電容Ce中注入的電荷與從頂部晶體管的柵極-集電極電容Qxtop 始發(fā)的電荷成比例，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)El現(xiàn)在斷開(kāi)。向感測(cè)電容Ce加載電荷引起在切換瞬態(tài)已減弱時(shí)保持恒定的電壓降\TOP。這意味著如果集電極-發(fā)射極電壓在對(duì)應(yīng)晶體管轉(zhuǎn)向它的反向?qū)顟B(tài)或者已經(jīng)轉(zhuǎn)向反向?qū)顟B(tài)時(shí)突然降低，在感測(cè)電容兩端的電壓VeTOP將幾乎立即因由集電極-發(fā)射極電壓驟降引起的位移柵極電流而增加。
進(jìn)展到時(shí)間瞬間t3，頂部晶體管Sitop的柵極控制信號(hào)切換成它的高狀態(tài)。適當(dāng)(和常用)控制電路(其在附圖中未明確描繪)現(xiàn)在用來(lái)組合頂部晶體管Sitop的柵極控制信號(hào)的低-高轉(zhuǎn)變與在感測(cè)電容Ce兩端的電壓降信息。如果電壓降Ve超過(guò)特定閾值，則防止柵極控制信號(hào)Simt去往所討論的RC-IGBT的柵極電極(例如借助于圖4中的與門(mén)和/或柵極驅(qū)動(dòng)器單元102的具體實(shí)施例)。上文中提供的示例說(shuō)明如何可以根據(jù)本發(fā)明確定頂部晶體管Titop的反向?qū)顟B(tài)。相同原理反過(guò)來(lái)(也就是說(shuō)，如果要確定逆變器半橋的底部晶體管Timt的導(dǎo)通狀態(tài))當(dāng)然也是有效的。比如“在……之下”、“在……下面”、“下”、“在……之上”、“上”等的空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)
為了便于描述而用來(lái)說(shuō)明一個(gè)元件相對(duì)于第二元件的定位。這些術(shù)語(yǔ)旨在除了與在圖中描繪的定向不同的定向之外還涵蓋設(shè)備的不同定向。另外，比如“第一”、“第二”等的術(shù)語(yǔ)也用來(lái)描述各種元件、區(qū)域、部分等并且也并非旨在進(jìn)行限制。相似術(shù)語(yǔ)在說(shuō)明書(shū)全文中指代相似元件。如在這里使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是表明存在所述元件或者特征但是并未排除附加元件或者特征的開(kāi)放式術(shù)語(yǔ)。除非上下文另外清楚地表明， 冠詞“一個(gè)”、“一種”和“該”旨在包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)。想到上文的變化和應(yīng)用范圍，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不受前面描述限制也不受附圖限制。相反，本發(fā)明僅受所附權(quán)利要求及其法律等效物限制。
權(quán)利要求
1.一種電路布置，包括反向?qū)↖GBT，配置成允許在正向方向上和在反向方向上導(dǎo)通負(fù)載電流，所述IGBT具有負(fù)載電流路徑和柵極電極；柵極控制單元，連接到所述柵極電極并且配置成通過(guò)分別根據(jù)柵極控制信號(hào)對(duì)所述柵極電極進(jìn)行充電或者放電來(lái)激活或者去激活所述IGBT ；柵極驅(qū)動(dòng)器單元，配置成通過(guò)感測(cè)因由于所述反向?qū)↖GBT改變成它的反向?qū)顟B(tài)而改變?cè)谒鲐?fù)載路徑兩端的電壓降所引起的柵極電流來(lái)檢測(cè)所述IGBT是在所述正向方向還是反向方向上導(dǎo)通電流；其中所述柵極控制單元還被配置成在所述柵極驅(qū)動(dòng)器單元檢測(cè)到所述IGBT處于它的反向?qū)顟B(tài)時(shí)去激活所述IGBT或者防止經(jīng)由所述IGBT的柵極電極激活所述IGBT。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路布置，其中所述柵極驅(qū)動(dòng)器單元被配置成根據(jù)感測(cè)的柵極電流生成導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)，所述導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)表明所述反向?qū)↖GBT的所述導(dǎo)通狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路布置，其中所述柵極控制單元被配置成處理電流方向信號(hào)，使得如果所述電流方向信號(hào)表明所述反向?qū)↖GBT處于它的反向?qū)顟B(tài)則防止經(jīng)由所述反向?qū)↖GBT的柵極電極激活所述反向?qū)↖GBT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路布置，其中所述柵極控制單元包括柵極驅(qū)動(dòng)器單元，所述柵極驅(qū)動(dòng)器單元經(jīng)由第一和第二電源線由電壓源供應(yīng)，所述柵極驅(qū)動(dòng)器單元包括輸出和輸出線，并且柵極驅(qū)動(dòng)器單元輸出被配置成經(jīng)由所述輸出線向所述反向?qū)↖GBT的所述柵極電極中注入柵極電流或者從所述柵極電極接收柵極電流，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出電流為所述柵極電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路布置，其中電流測(cè)量設(shè)備布置于所述柵極驅(qū)動(dòng)器單元的所述第一電源線中或者所述第二電源線中或者所述輸出線中，或者其中多個(gè)電流測(cè)量設(shè)備布置于所述柵極驅(qū)動(dòng)器的所述第一電源線中和/或所述第二電源線中和/或所述輸出線中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路布置，其中所述電流測(cè)量設(shè)備包括分流電阻和并聯(lián)電壓測(cè)量設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路布置，其中電壓測(cè)量設(shè)備并聯(lián)連接到柵極電阻，所述柵極電阻布置于柵極驅(qū)動(dòng)器輸出線中。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路布置，其中具有并聯(lián)電壓測(cè)量設(shè)備的分流電阻布置于所述輸出線中。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路布置，其中第一和/或第二電源線中的所述電流測(cè)量設(shè)備包括具有第一和第二電流路徑的電流鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路布置，其中所述電流鏡布置成使得它的第一電流路徑中的電流等于所述柵極電流，并且所述電流鏡配置成使得它的第二電流路徑中的電流與它的第一電流路徑中的電流相等或者成正比。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路布置，其中感測(cè)電容布置于所述電流鏡的所述第二電流路徑中以由流動(dòng)于所述電流鏡的所述第二電流路徑中的電流充電，并且所述感測(cè)電容攜帶的電荷量是針對(duì)所述柵極電流的測(cè)量。
12.一種用于檢測(cè)反向?qū)↖GBT的正向或者反向?qū)顟B(tài)的方法，所述方法包括提供具有負(fù)載路徑的反向?qū)↖GBT ；并且感測(cè)因由于所述反向?qū)↖GBT改變成它的反向?qū)顟B(tài)而改變?cè)谒鲐?fù)載路徑兩端的電壓降所引起的柵極電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括提供表明所述反向?qū)↖GBT的所述導(dǎo)通狀態(tài)的導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)； 如果所述導(dǎo)通狀態(tài)信號(hào)表明所述反向?qū)↖GBT處于它的反向?qū)顟B(tài)，則阻塞用于所述反向?qū)↖GBT的柵極控制信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括借助于與所述柵極電流成比例或者相等的電流來(lái)對(duì)感測(cè)電容進(jìn)行充電或者放電； 感測(cè)電容攜帶的電荷量，所述電荷量代表所述柵極電流。
15.一種電路布置，包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，配置成允許在正向方向上和在反向方向上導(dǎo)通負(fù)載電流，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有負(fù)載電流路徑和柵極電極；柵極控制單元，耦合到所述柵極電極并且配置成通過(guò)分別根據(jù)柵極控制信號(hào)對(duì)所述柵極電極進(jìn)行充電或者放電來(lái)激活或者去激活所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管；以及監(jiān)視單元，配置成通過(guò)感測(cè)因與所述負(fù)載電流的方向改變對(duì)應(yīng)的在所述負(fù)載路徑兩端的電壓降的方向改變所引起的柵極電流來(lái)檢測(cè)所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管是在所述正向方向還是所述反向方向上導(dǎo)通電流。
16.一種用于檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正向或者反向?qū)顟B(tài)的方法，所述方法包括提供場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有負(fù)載路徑并且配置成允許在正向方向上和在反向方向上導(dǎo)通負(fù)載電流；并且感測(cè)因與所述負(fù)載電流的方向改變對(duì)應(yīng)的在所述負(fù)載路徑兩端的電壓降的方向改變所引起的柵極電流。
17.一種電路布置，包括半橋切換電路，包括兩個(gè)反向?qū)ń^緣柵極雙極晶體管(RC-IGBT)，所述RC-IGBT配置成允許在正向方向上和在反向方向上導(dǎo)通負(fù)載電流，所述RC-IGBT具有負(fù)載電流路徑和柵極電極，并且所述兩個(gè)RC-IGBT的共同電路節(jié)點(diǎn)為配置成提供輸出電流的半橋輸出；用于每個(gè)RC-IGBT的柵極控制單元，連接到相應(yīng)柵極電極并且配置成通過(guò)分別根據(jù)所述柵極控制單元接收的柵極控制信號(hào)對(duì)所述柵極電極進(jìn)行充電或者放電來(lái)激活或者去激活相應(yīng)RC-IGBT ；所述柵極控制單元中的至少一個(gè)柵極控制單元包括柵極驅(qū)動(dòng)器單元，所述柵極驅(qū)動(dòng)器單元被配置成通過(guò)感測(cè)因由于所述相應(yīng)RC-IGBT改變成它的反向?qū)顟B(tài)而改變?cè)谒?RC-IGBT的所述負(fù)載路徑兩端的電壓降所引起的柵極電流來(lái)檢測(cè)所述RC-IGBT是否在所述反向方向上導(dǎo)通電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及RC-IGBT的導(dǎo)通狀態(tài)檢測(cè)。一種電路布置包括反向?qū)↖GBT，配置成允許在正向方向上和在反向方向上導(dǎo)通負(fù)載電流，IGBT具有負(fù)載電流路徑和柵極電極；柵極控制單元，連接到柵極電極并且配置成通過(guò)分別根據(jù)柵極控制信號(hào)對(duì)柵極電極進(jìn)行充電或者放電來(lái)激活或者去激活I(lǐng)GBT；柵極驅(qū)動(dòng)器單元，配置成通過(guò)感測(cè)因由于反向?qū)↖GBT改變成它的反向?qū)顟B(tài)而改變?cè)谪?fù)載路徑兩端的電壓降所引起的柵極電流來(lái)檢測(cè)IGBT是在正向方向還是反向方向上導(dǎo)通電流，柵極控制單元還被配置成在柵極驅(qū)動(dòng)器單元檢測(cè)到IGBT處于它的反向?qū)顟B(tài)時(shí)去激活I(lǐng)GBT或者防止經(jīng)由IGBT的柵極電極激活I(lǐng)GBT。
文檔編號(hào)H03K17/567GK102468837SQ20111035449
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者多梅斯 D. 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司