專利名稱：絕緣柵功率半導(dǎo)體的柵極驅(qū)動的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣柵功率半導(dǎo)體的模擬柵極驅(qū)動。更具體來說，本發(fā)明涉及應(yīng)用于基礎(chǔ)功率電子學(xué)領(lǐng)域的絕緣柵功率半導(dǎo)體開關(guān)的電流和電壓開關(guān)軌道(trajectory)。
背景技術(shù)：
在開關(guān)式電源(SMPS)中使用MOSFET和絕緣柵雙極晶體管器件(IGBT)，因為它們?nèi)菀昨?qū)動且能以高的開關(guān)頻率處理高的電流和電壓。
然而，這兩種器件的開關(guān)軌道都導(dǎo)致漏極電流波形所產(chǎn)生的共模電磁發(fā)射及換向單元中的功耗。這兩個特性代表了功率變換器的相反設(shè)計目標。由于小型化的需要把開關(guān)頻率推向更高，所以在電磁干擾(EMI)和功耗之間形成令人滿意的折衷變得日益困難。
把SMPS的特征矩形電壓波形建模為一周期性梯形脈沖串。此波形產(chǎn)生了E場輻射和由對地回路的寄生電容引起的共模傳導(dǎo)干擾。
可使用靜電屏蔽(公知的類型)和電路參考資料(Zverev等人，97’電氣和電子工程師協(xié)會電力電子學(xué)專家會議論文集，美國密蘇里州)把電磁場及任何感應(yīng)的共模耦合的影響減到最小。然而，換向電路中矩形開關(guān)電流的相似性使磁通量產(chǎn)生明顯的變化。這引起整個電路內(nèi)的高頻噪聲，導(dǎo)致H場輻射以及具有可能擴展到100Mhz以上的諧波的干擾。
對任何設(shè)計或修改的附加約束在于，該器件必須仍舊是電磁兼容的(EMC)(即，符合所有的適用性標準，例如歐洲國際無線電干擾特別委員會的建議書)。
此外，為了避免有關(guān)EMC的問題，可使用諸如鋼等用于屏蔽的磁性材料。然而，這些屏蔽的性能在超過500KHz后急劇下降。
用于EMC的功率變換器的改進方法分成三類。首先，存在諸如屏蔽等抑制和耗散方法。其次，可把對EMI有貢獻的寄生分量減到最小。該方法的一個例子是通過去耦合和布局把電流回路面積減到最小。
第三個是減少換向源處產(chǎn)生的EMI的方法。這種方法可能是有效的，但它可能給任何器件的設(shè)計增加明顯的復(fù)雜性。例如，可使用軟開關(guān)諧振和準諧振拓撲技術(shù)。然而，這種方法的缺點是傳導(dǎo)損耗較高，電壓應(yīng)力(stress)較高，且需較多或較大的部件(componentry)。
這三種方法的進一步例子是通過增加?xùn)艠O電阻器來減緩電流上升和下降時間。然而，其缺點在于，當漏極電壓變化時，柵極電阻器限制了給寄生柵-漏電容(密勒電容)充電可獲得的電流量。這導(dǎo)致電壓開關(guān)時間減緩。
然而，由于開關(guān)頻率移至較高，所以EMI與功耗之間的折衷變得日益困難。
另一個方案是消除或減少其源處的EMI產(chǎn)生。Consoli等人(96年11月第4期第38卷有關(guān)電磁兼容性的電氣和電子工程師協(xié)會報中的“功率變換器中的一種創(chuàng)新的EMI減小設(shè)計技術(shù)”)以及Musumeci等人(97年7月第4期第12卷有關(guān)功率電子學(xué)的電氣和電子工程師協(xié)會報中的“絕緣柵控制器件的開關(guān)性能的改進”)揭示了一種可能的解決方案。由這兩者提出的解決方案是一種基于數(shù)字方法的EMI減少技術(shù)，該技術(shù)使用仔細定時的電流源來克服開關(guān)期間的密勒電容效應(yīng)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種模擬柵極驅(qū)動技術(shù)，它允許獨立而最佳地控制使用絕緣柵功率器件的開關(guān)式變換器中的漏極電流和電壓波形。
本發(fā)明的進一步目的是提供一種柵極驅(qū)動技術(shù)，它克服或至少減輕了某些上述缺點，或至少給公眾提供了一種有用的選擇。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種用于獨立地控制開關(guān)式電源的絕緣柵開關(guān)電路的漏極電流和電壓的電路，所述電路包括絕緣柵半導(dǎo)體器件；線性緩沖器；以及可在斷開期間進行操作的局部反饋回路內(nèi)的組合的電壓源和電流源；其中由橫過(traverse)跨導(dǎo)曲線的柵極電壓來控制電流的變化速率。
依據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用于絕緣柵半導(dǎo)體器件的柵極驅(qū)動電路，它包括；電壓源；電流源；以及反饋信號，其中電壓源與電流源的組合適用于為絕緣柵半導(dǎo)體器件提供柵極信號，從而該柵極信號允許在所述絕緣柵半導(dǎo)體的導(dǎo)通或斷開期間獨立地控制漏極電流和漏極電壓。
最好，反饋信號是絕緣柵半導(dǎo)體的柵極充電(或放電)電流。
最好，柵極信號的電壓和電流分量適用于依據(jù)反饋信號而共相關(guān)。
最好，柵極信號輸出是具有低阻抗輸出的線性緩沖器，尤其是，線性緩沖器是類似的運算放大器。
最好，電壓源和電流源可以是具有低輸出阻抗的組合的電壓和電流源。
最好，電壓源和電流源適用于依據(jù)反饋信號的狀態(tài)對驅(qū)動信號提供電流控制或電壓控制。
最好，由橫過絕緣柵半導(dǎo)體的跨導(dǎo)曲線的電壓源來控制漏極電流的變化速率。
最好，由反饋所引起的電流源中的動態(tài)變化來控制漏極電壓的變化速率。
最好，柵極信號是MOSFET或IGBT的柵極信號。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于獨立地控制開關(guān)式電源的絕緣柵開關(guān)電路的漏極電流和電壓的電路，所述電路包括低阻抗控制的斜坡(ramp)電壓源，以控制開關(guān)期間的漏極電壓斜率和漏極電流斜率；以斜坡功能作為其輸入的低阻抗電壓線性緩沖器；其中電壓源和線性緩沖器都可在導(dǎo)通期間進行操作，且由緩沖器的輸出阻抗來限制電壓的變化速率。
最好，由橫過絕緣柵半導(dǎo)體的跨導(dǎo)曲線的電壓源來控制漏極電流的變化速率。
最好，柵極信號是MOSFET或IGBT的柵極信號。
附圖概述僅通過示例，參考附圖來詳細描述本發(fā)明的較佳實施例，其中

圖1是包括公知的MOSFET柵極驅(qū)動電路的電路圖；圖2是示出圖1的電路的波形的曲線圖；圖3是本發(fā)明的導(dǎo)通電路第一實施例的示意圖；圖4是斷開電路的第一較佳實施例的示意圖；圖5a是公知的柵極驅(qū)動器的漏極電壓、柵極電壓和漏極電流波形的曲線圖；圖5b是導(dǎo)通期間本發(fā)明的電路的漏極電壓、柵極電壓和漏極電流波形的曲線圖；圖6是已有技術(shù)以及從本發(fā)明的導(dǎo)通電路獲得的近場輻射的發(fā)射測量值的曲線圖；圖7是半導(dǎo)體開關(guān)循環(huán)的導(dǎo)通和斷開階段的全柵極驅(qū)動電路的電路圖；以及圖8是圖7所示柵極驅(qū)動電路的微處理器控制的方框圖。
本發(fā)明的較佳實施方式回顧一下絕緣柵器件的開關(guān)特性及傳統(tǒng)柵電阻的影響是有用的。將使用MOSFET的更一般情況。參考圖1，其中示出常規(guī)的MOSFET柵極驅(qū)動電路2。所示的寄生電容Cgd和Cgs只是為了示意的目的，而不是電路元件。該電路包括帶有串聯(lián)柵電阻器Rg的高性能數(shù)字緩沖器，它控制漏極電流的上升和下降時間。
圖2示出圖1的電路的示波器波形。所使用的開關(guān)頻率為100KHz，電壓波形為5V/div，電流波形為1A/div。最初，柵-源電壓Vgs按指數(shù)上升直到它達到閾值電壓，且器件開始導(dǎo)通。漏極電流Id開始按MOSFET的跨導(dǎo)曲線上升。只要漏極電流Id小于滿載電流Io且自由旋轉(zhuǎn)(free wheeling)二極管Df導(dǎo)通，則漏-源電壓Vds保持箝位在其初始值Vo。
一旦MOSFET傳送滿載電流Io但仍在有效區(qū)域內(nèi)，則即使柵極電路可向柵極提供電流，柵-源電壓Vgs也仍保持恒定。這是由于漏極電壓Vds開始減少需要柵-漏電容Cdg通過Rg放電，從而限制漏極電壓的變化速率(dVds/dt)。這是公知的密勒效應(yīng)，圖2上的A與B之間的區(qū)域代表密勒效應(yīng)區(qū)。漏極電壓Vds的減少是非線性的，它是由柵-漏電容Cgd隨漏-源電壓Vds的改變的動態(tài)變化引起的。因而，Rg限制了DId/dt和dVds/dt，從而需要在減少的EMI和功耗之間進行折衷。一旦密勒效應(yīng)終止，柵極電壓Vgs可繼續(xù)增高到其最終值。從圖2可看出，除了從柵極電容取得電流且電流和電壓的順序顛倒以外，以上也是斷開階段的情況。
參考圖3，其中示出第一較佳實施例的電路的示意圖。數(shù)字輸入信號控制兩個電流源，這兩個電流源使斜坡信號出現(xiàn)在線性緩沖器的輸入處。可變電阻器VR1和VR2分別控制上升和下降時間。線性緩沖器U1是公知類型的高速雙極緩沖器。這種緩沖器的一個例子是緩沖器EL2009C(Elantec股份有限公司)。
在開關(guān)期間，標準柵極電阻器Rg(如圖1所示)與柵源電容Cgs相結(jié)合在MOSFET的柵極處引起電壓斜坡，它控制漏極電流Id的變化速率。在圖1的標準電路中，柵極電阻器Rg還限制對MOSFET的柵-漏電容Cgd充電和放電可獲得的電流。在圖3所示的實施例中，使用低阻抗電壓源來優(yōu)化對漏極電流Id斜率和漏極電壓Vds斜率的控制(如圖2所示)，使得可把柵極電阻器Rg一起除去?？衫靡孕逼鹿δ茏鳛槠漭斎氲牡妥杩咕€性緩沖器U1來實現(xiàn)此低阻抗電壓源。這樣，通過橫過MOSFET跨導(dǎo)曲線的柵極電壓Vgs來控制di/dt斜率，僅通過緩沖器U1的輸出阻抗來限制dv/dt，從而把H場發(fā)射和功耗減到最小。使用此方法，差不多消除了圖2的柵極開關(guān)軌道中的密勒區(qū)。
不幸的是，此簡單電路在斷開期間產(chǎn)生了問題，導(dǎo)致不能充分地控制漏極di/dt(斷開)。包含柵極電流的反饋的更復(fù)雜混合源克服了這個問題，并帶來了直接控制漏極電壓Vds的上升和下降時間的附加能力(甚于按緩沖器輸出阻抗所允許的自動變快)。
參考圖4，其中示出如上所述利用柵極電流的反饋的柵極驅(qū)動電路的斷開部分的一個較佳實施例。這包括局部反饋回路內(nèi)的組合電壓源和電流源?，F(xiàn)在將說明該電路的操作，但為了簡單，僅描述斷開的情況。對于MOSFET，此描述是導(dǎo)通階段直接顛倒。為了說明，我們將假設(shè)C1=Cgs，且額定Cgs放電電流為0.1A。
Rf設(shè)定電容器C1的放電電流，最初把該電容器C1充電到正常導(dǎo)通狀態(tài)的柵極電壓Vgs(導(dǎo)通)。這樣因單位增益緩沖器U1與射極跟隨器Q1的操作而引起在電容器C1和柵-源電容Cgs上產(chǎn)生一電壓斜坡。緩沖器U1消除了通常發(fā)生在射極跟隨器Q1上的基極-發(fā)射極電壓降。這在上述電流上升時間間隔期間是明顯的。射極跟隨器Q1從柵源電容Cgs中提供了電流增益隔離電容C1。在此期間，電流鏡M3(具有10∶1的縮小特性)通過電流鏡M2把0.01安培注入電容器C1。此負反饋導(dǎo)致電流放電剛好在0.1安培以下穩(wěn)定。
當電壓斜坡到達靜態(tài)柵極電壓時，漏極電壓將開始上述，這需要柵極電壓在放電電流移向漏柵電容Cdg時形成臺階(plateau)。此電壓臺階是由電流鏡M3和M2的操作所引起的。通過射極跟隨器Q1的漏柵電容Cdg放電電流快速增加，直到它達到1安培，此時電流鏡M3和M2將把0.1安培注入電容器C1。
當此注入的電流等于電流鏡M1所設(shè)定的放電電流時，電容器C1上的電壓將成為靜態(tài)，從而允許電壓臺階。
緩沖器U1提供了內(nèi)部增益，以消除為使射極跟隨器Q1中的集電極電流從0.1安培增加到1.0安培所需的基極射極電壓的稍稍增加。在密勒區(qū)的末端，漏柵電容Cdg被完全充電，且放電電流被傳回柵源電容Cgs，從而造成了柵源電壓上的斜坡。放電電流事實上立即降回到0.1安培，因為要嘗試比電容器C1斷開射極跟隨器Q1更快地使射源電容器Cgs放電。
該電路如此進行自調(diào)節(jié)，且以預(yù)定的方式控制柵極電壓。結(jié)果，漏極電流以編程的速率下降?？上鄬τ跀嚅_期間電壓上升時間的所述改進把電流鏡M3的電流比設(shè)定為預(yù)定(高)的值，而不影響漏極電流斜率。
如上所述，圖4所示的前一實施例僅僅是電路的斷開部分。很明顯，為了實際應(yīng)用，改進的柵極驅(qū)動最好表現(xiàn)出導(dǎo)通和斷開半導(dǎo)體開關(guān)的改進。在圖7中示出對開關(guān)循環(huán)的導(dǎo)通和斷開部分都提供改進的本發(fā)明的一個實施例。除了包括由于在開關(guān)循環(huán)的導(dǎo)通階段中進行操作的鏡(mirror)元件以外，該電路具有與圖4所示相同的操作。已加上電流鏡M2和M5，以提供在導(dǎo)通和斷開階段之間發(fā)生的柵極電流倒相。在圖7中未示出寄生電容Cdg和Cgs。
本發(fā)明的圖7所示的示意圖提供了一種在絕緣柵功率器件的導(dǎo)通和斷開過程中獨立而連續(xù)地控制漏極電壓和漏極電流波形的機構(gòu)。這使得可同時大大改善開關(guān)損耗和EMI?？赏ㄟ^分別使用可變電阻器VR1、VR2、VR3和VR4(如圖7和8所示)來容易而獨立地控制導(dǎo)通電流、斷開電流、導(dǎo)通電壓和斷開電壓這四個參數(shù)。漏極電流控制還可通過可變電壓間接改變電流源的值來進行控制。
然而，與該實施例對這些參數(shù)的控制無關(guān)，可通過來自微控制器或同一電路中類似元件的軟件或固件間接地控制上述四個參數(shù)。這允許在制造器件下載最終參數(shù)作為固件；用于在不同模型的體系結(jié)構(gòu)中的重新使用；或在實現(xiàn)EMC一致性的最終需求前的PCA的最終布局等。擴展此概念使得可使用標準通信方法，從諸如膝上型PC等適當?shù)耐ㄓ糜嬎銠C器件遠程地控制上述四個柵極驅(qū)動參數(shù)。這使得可在EMC一致性測試期間根據(jù)需要遠程地調(diào)節(jié)這四個參數(shù)，以便研究和存儲有關(guān)實現(xiàn)EMC一致性的信息，而沒有不適當?shù)膽土P。此外，這種系統(tǒng)使得可在一定范圍的開關(guān)電路中使用標準柵極驅(qū)動模塊，在這些開關(guān)電路中，在測試時通過固件或軟件上載每個電路的所需參數(shù)。
圖8示出圖7中所示的柵極驅(qū)動電路的方框圖，其中已在柵極控制塊81外分別示出四個控制元件VR1、VR2、VR3和VR4。這些控制元件VR1、VR2、VR3和VR4中的每一個都由具有至微控制器82或類似元件的數(shù)字串行控制鏈路的可變電阻器件(數(shù)字電位計)構(gòu)成。具有支持存儲器和程序碼(未示出)的微控制器82可修改這四個控制參數(shù)VR1、VR2、VR3和VR4繼而變換器的EMI和開關(guān)損耗。
僅通過示例，在以下示出本發(fā)明所提供的對絕緣柵半導(dǎo)體的開關(guān)的改進。
例1電壓開關(guān)時間的改進。
參考圖5，試驗以上圖3的電路，其結(jié)果在圖5中以曲線示出。在圖5a中示出公知類型(圖1)的驅(qū)動器的曲線。在圖5b中示出本發(fā)明的模擬電路的曲線。在這兩個曲線圖中都示出漏極電壓VD、柵極電壓VGS和漏極電流ID的波形。在表1中列出變量和控制。在例1中，di/dt對公知的電路(圖1)和本發(fā)明的模擬電路都相同。
表1變量 控制

較佳實施例的模擬電路包括能在導(dǎo)通期間控制柵極上的電壓斜坡的驅(qū)動器。這使得可控制電流斜率和EMI，同時保持低的輸出阻抗。在本例中，驅(qū)動器的有效性不受輸出阻抗(1歐姆)的限制，但受到線性緩沖器的電流限制。
例2導(dǎo)通的EMI改進。
參考圖6，其中對相同的電壓開關(guān)時間示出公知驅(qū)動器(圖1)和較佳實施例的電路的近場發(fā)射發(fā)射的曲線示意圖。在下表2中列出參數(shù)。表2變量控制

圖6示出使用EMC分析器獲得的頻譜。公知的常規(guī)驅(qū)動器的曲線為線61，依據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器的曲線為線62。當來自本發(fā)明的發(fā)射電平達到常規(guī)驅(qū)動器前的測量設(shè)備的噪聲下界時，不能看到整個改進。
以上描述了用于接通的電路的一個較佳實施例，它適用于MOSFET和IGBT。
斷開圖4的電路在斷開期間實現(xiàn)了與所示用于導(dǎo)通的電路類似的改進。
它完全適用于MOSFET，但僅在密勒效應(yīng)和功率金屬氧化物半導(dǎo)體(mos)階段適用于IGBT。可把dVds/dt控制到一設(shè)定的值，以保證不超過制造商的最大值，從而避免SCR鎖定和漏極過壓。這通常是使用Rgoff的最小值來實現(xiàn)的，從而導(dǎo)致斷開期間器件錯誤的偽導(dǎo)通。
僅通過示例描述了本發(fā)明，應(yīng)理解，可對其進行修改而不背離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種用于獨立地控制開關(guān)式電源的絕緣柵開關(guān)電路的漏極電流和電壓的電路，所述電路包括一絕緣柵半導(dǎo)體器件；一線性緩沖器；以及一可在斷開期間操作的局部反饋信號內(nèi)的組合電壓源和電流源；其中由橫過跨導(dǎo)曲線的柵極電壓來控制電流的變化速率。
2．一種用于絕緣柵半導(dǎo)體器件的柵極驅(qū)動電路，包括一電壓源；一電流源；以及，一反饋信號，其中電壓源與電流源的組合適用于為絕緣柵半導(dǎo)體器件提供柵極信號，從而此柵極信號允許在所述絕緣柵半導(dǎo)體的導(dǎo)通和斷開期間獨立地控制漏極電流和漏極電壓。
3．如權(quán)利要求1或2所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于所述反饋信號是絕緣柵半導(dǎo)體的柵極充電(放電)電流。
4．如權(quán)利要求1到3中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于柵極信號的電壓和電流分量適用于依據(jù)反饋信號而共相關(guān)。
5．如以上權(quán)利要求中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于柵極信號輸出為具有低阻抗輸出的線性緩沖器。
6．如權(quán)利要求5所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于線性緩沖器是類似的運算放大器。
7．如以上權(quán)利要求1到4中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于電壓源和電流源可以是具有低輸出阻抗的組合電壓和電流源。
8．如以上權(quán)利要求中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于電壓源和電流源適用于依據(jù)反饋信號的狀態(tài)來提供驅(qū)動信號的電流控制和電壓控制。
9．如以上權(quán)利要求中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于通過反饋引起的電流源中的動態(tài)變化來控制漏極電壓的變化速率。
10．一種用于獨立地控制開關(guān)式電源的絕緣柵開關(guān)電路的漏極電流和電壓的電路，所述電路包括低阻抗控制的斜坡電壓源，以在開關(guān)期間控制漏極電壓斜率和漏極電流斜率；以斜坡函數(shù)作為其輸入的低阻抗電壓線性緩沖器；其中電壓源和線性緩沖器在導(dǎo)通期間豆可操作，由緩沖器的輸出阻抗來限制電壓的變化速率。
11．如以上權(quán)利要求中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于通過橫過絕緣柵半導(dǎo)體的跨導(dǎo)曲線的電壓源來控制漏極電流的變化速率。
12．如以上權(quán)利要求中任一項所述的柵極驅(qū)動電路，其特征在于柵極信號為MOSFET或IGBT的柵極信號。
13．一種用于獨立地控制開關(guān)式電源的絕緣柵開關(guān)電路的漏極電流和電壓的電路，所述電路基本上如這里參考說明書所述。
全文摘要
揭示了一種用于控制絕緣柵半導(dǎo)體開關(guān)(更具體來說是MOSFET和絕緣柵雙極晶體管器件(IGBT))的電流和電壓開關(guān)軌道的方法。在開關(guān)式電源中使用MOSFET和IGBT是因為它們易于驅(qū)動,且有能力以高開關(guān)頻率處理高電流和電壓。然而,這兩種器件的開關(guān)軌道都導(dǎo)致功率變換器所產(chǎn)生的共模電磁發(fā)射和換向單元中的功耗。本發(fā)明使用具有柵極充電(或放電)電流反饋的混合電壓/電流系統(tǒng)信號源,以動態(tài)地獨立控制絕緣半導(dǎo)體器件的漏極電流和漏極電壓。通過橫過跨導(dǎo)曲線的電壓源來控制漏極電流的變化速率,而通過反饋引起的電流源中的動態(tài)變化來控制漏極電壓的變化速率。
文檔編號H03K4/00GK1312973SQ99807331
公開日2001年9月12日 申請日期1999年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月12日
發(fā)明者G·C·華萊士 申請人:南島分立有限公司