相關(guān)申請的交叉引用

通過引用將2016年3月31日提交的日本專利申請no.2016-070662的公開的全部內(nèi)容，包括說明書、附圖和摘要，并入本文中。

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，例如，基于轉(zhuǎn)換速率(slewrate)控制來控制要供應(yīng)到功率器件的柵極的控制信號的半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)：

操作例如車輛的電機需要大的電力以得到大的輸出功率。因此，驅(qū)動這種高功率電機的逆變器電路包括功率元件，諸如，耐受高電壓和大電流的igbt(絕緣柵型雙極晶體管)。該功率元件的柵極具有有著大電容的寄生電容。因此，為了操作功率元件，采用用于驅(qū)動功率元件的柵極的柵極驅(qū)動器。專利文獻1公開了該柵極驅(qū)動器的示例。

在專利文獻1所公開的技術(shù)中，用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體器件的柵極驅(qū)動電路包括恒定電流柵極驅(qū)動電路以及恒定電壓柵極驅(qū)動電路，其中恒定電流柵極驅(qū)動電路用恒定電流對功率半導(dǎo)體器件的柵極電容進行充電，恒定電壓柵極驅(qū)動電路經(jīng)由切換元件和電阻器的串聯(lián)電路并聯(lián)地耦接在恒定電流柵極驅(qū)動電路的輸入端和輸出端之間并且用恒定電壓對柵極電容進行充電。當(dāng)驅(qū)動功率半導(dǎo)體器件時，采用恒定電流柵極驅(qū)動電路和恒定電壓柵極驅(qū)動電路二者對所涉及的功率半導(dǎo)體器件的柵極電容進行充電。

(專利文獻1)日本專利no.4942861

技術(shù)實現(xiàn)要素：

然而，當(dāng)執(zhí)行功率元件的柵極的充電和放電時，由于功率元件的柵極電壓超過閾值電壓所需的充電時間和放電時間，導(dǎo)致存在功率元件的操作的起始定時被延遲至控制信號的上升定時或下降定時的死區(qū)時間(deadtime)。為了縮短該死區(qū)時間，必須縮短柵極電壓達(dá)到閾值所需的時間。然而，根據(jù)專利文獻1中描述的技術(shù)，必須將檢測柵極電壓的檢測電壓優(yōu)化為良好地匹配每個功率元件的閾值電壓。因此，根據(jù)專利文獻1中描述的技術(shù)，必須得到功率元件的閾值電壓和柵極驅(qū)動器的電路操作之間的匹配；然而，難以執(zhí)行用于所使用的功率元件的柵極驅(qū)動器的優(yōu)化操作。

根據(jù)本說明書的描述和附圖，本發(fā)明的其它主題和新穎特征將變得清楚。

根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體裝置在關(guān)斷功率元件時監(jiān)控功率元件的集電極電壓，并且在直到集電極電壓變得低于預(yù)先設(shè)定的確定閾值之前的期間，相比在集電極電壓變得低于確定閾值之后的期間，增加從功率元件的柵極抽取電荷的nmos晶體管的數(shù)量。

根據(jù)所述的一個實施例，可以提供不管功率元件的閾值電壓如何都對功率元件執(zhí)行優(yōu)化操作的柵極驅(qū)動器。

附圖說明

圖1是例示根據(jù)實施例1的包括半導(dǎo)體裝置的逆變器電路的框圖；

圖2是例示根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置的框圖；

圖3是說明根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置的操作的時序圖；

圖4是例示根據(jù)實施例2的半導(dǎo)體裝置的框圖；

圖5是說明根據(jù)實施例2的半導(dǎo)體裝置的一般操作的時序圖；

圖6是說明當(dāng)在逆變器電路中出現(xiàn)功率元件的“短接到電源”故障(short-to-supplyfault)時根據(jù)實施例2的半導(dǎo)體裝置的操作的時序圖；

圖7是例示根據(jù)實施例3的半導(dǎo)體裝置的框圖；

圖8是例示根據(jù)實施例3的半導(dǎo)體裝置的第二電壓監(jiān)控電路的框圖；以及

圖9是說明根據(jù)實施例3的半導(dǎo)體裝置的操作的時序圖。

具體實施方式

在下面的描述和附圖中，為了說明的清楚而適當(dāng)?shù)剡M行縮寫和簡化。在每幅圖中，將相同的附圖標(biāo)記附加到相同的元件，并且如有必要將省略對相同元件的重復(fù)說明。

實施例1

根據(jù)實施例1的半導(dǎo)體裝置是用于驅(qū)動逆變器電路中所采用的功率元件的柵極的柵極驅(qū)動器，其中該逆變器電路用于驅(qū)動需要大量電力的負(fù)載電路(諸如，高輸出電機)。該功率元件只需要是低導(dǎo)通電阻和高耐受電壓的部件，并且采用功率元件的電路不限于逆變器電路。

圖1是例示根據(jù)實施例1的包括半導(dǎo)體裝置的逆變器電路的框圖。在圖1中所例示的框圖中，將電機例示為逆變器電路的負(fù)載電路。該電機由三相驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動。因此，根據(jù)實施例1的逆變器電路是三臂電路。

如圖1中所例示的，根據(jù)實施例1的逆變器電路1包括：控制器2，隔離元件3b、3d和3f，柵極驅(qū)動器4a至4f，和功率元件5a至5f。控制器2輸出要供應(yīng)到功率元件5a至5f的柵極的柵極控制信號(在以下說明中，稱為功率器件控制信號)。在根據(jù)實施例1的逆變器電路1中，該功率器件控制信號是pwm(脈沖寬度調(diào)制)信號。例如，控制器2是微控制器單元(mcu)，在微控制器單元中用于執(zhí)行程序的算術(shù)電路、用于存儲程序的存儲器和外圍電路(諸如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路和記時器)被安裝在一個半導(dǎo)體封裝中。

隔離元件3b、3d和3f將由控制器2輸出的功率器件控制信號傳遞到柵極驅(qū)動器4b、4d和4f，其中柵極驅(qū)動器4b、4d和4f在與控制器2中的電壓范圍不同的電壓范圍內(nèi)操作。也就是說，隔離元件3b、3d和3f轉(zhuǎn)換功率器件控制信號的幅度范圍。

柵極驅(qū)動器4a至4f基于功率器件控制信號的邏輯電平來執(zhí)行功率元件5a至5f的柵極的充電和放電。柵極驅(qū)動器4a至4f基于功率元件5a至5f的集電極電壓來控制功率元件5a至5f的柵極的充電和放電速度。稍后，將描述柵極驅(qū)動器4a至4f的細(xì)節(jié)。

功率元件5a至5f中的每個都包括功率晶體管ptr和二極管d。二極管d的陽極耦接到功率晶體管ptr的發(fā)射極，并且二極管d的陰極耦接到功率晶體管ptr的集電極。功率元件5a至5f中的每個都包括第一端子(例如，發(fā)射極端子te)、第二端子(例如，集電極端子tc)和控制端子(例如，柵極端子tg)。此處，功率晶體管ptr例如是igbt(絕緣柵型雙極晶體管)元件。

在逆變器電路1中，功率元件5a和5b串聯(lián)地耦接在電源布線vdd和接地布線vss之間以構(gòu)成第一臂。功率元件5c和5d串聯(lián)地耦接在電源布線vdd和接地布線vss之間以構(gòu)成第二臂。功率元件5e和5f串聯(lián)地耦接在電源布線vdd和接地布線vss之間以構(gòu)成第三臂。

此處，在根據(jù)實施例1的逆變器電路1中，柵極驅(qū)動器4a至4f具有特征之一。柵極驅(qū)動器4a至4f具有相同的配置；因此，以柵極驅(qū)動器4a作為示例，對根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器進行以下說明。圖2例示了根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a的框圖。在圖2中，為了闡明柵極驅(qū)動器4a的內(nèi)部電路和功率元件5a之間的連接關(guān)系，還例示了功率元件5a。

如圖2中所例示的，根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a包括多個pmos晶體管(圖2中的pmos晶體管mp1至mpn，n是指示晶體管數(shù)量的整數(shù))和多個nmos晶體管(圖2中的nmos晶體管mn1至mnn)。根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a包括晶體管選擇電路10、柵極模式設(shè)定電路111至11n、預(yù)升壓電路12、電壓監(jiān)控電路13和柵極布線wg。根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a耦接到內(nèi)部電源布線vddi，并且基于不同于且低于逆變器電路1的電源電壓的內(nèi)部電源電壓來操作。以下，內(nèi)部電源布線vddi被稱為電源布線vddi。

柵極布線wg是耦接到包括發(fā)射極端子te、集電極端子tc和柵極端子tg的功率元件5a的柵極的布線。

pmos晶體管mp1至mpn和nmos晶體管mn1至mnn形成一個pmos晶體管和一個nmos晶體管的組。對于每個組，一個pmos晶體管和一個nmos晶體管串聯(lián)地耦接在電源布線vddi和接地布線vss之間。例如，在圖2中，pmos晶體管mp1和nmos晶體管mn1串聯(lián)地耦接在電源布線vddi和接地布線vss之間。從另一個角度，pmos晶體管mp1至mpn耦接在柵極布線wg和電源布線vddi之間，并且nmos晶體管mn1至mnn耦接在柵極布線wg和接地布線vss之間。在本實施例中，例如，對pmos晶體管的數(shù)量和nmos晶體管的數(shù)量相等的示例進行說明。然而，pmos晶體管的數(shù)量和nmos晶體管的數(shù)量可以不同。

晶體管選擇電路10在nmos晶體管mn1至mnn之中選擇要激活的晶體管，并且向所選擇的晶體管輸出激活指令信號scns1至scnsn中的一個。激活指令信號scns1至scnsn與nmos晶體管mn1至mnn分別地對應(yīng)。晶體管選擇電路10在pmos晶體管mp1至mpn之中選擇要激活的晶體管，并向所選擇的晶體管輸出激活指令信號scps1至scpsn中的一個。激活指令信號scps1至scpsn與pmos晶體管mp1至mpn分別地對應(yīng)。

柵極模式設(shè)定電路111至11n是對應(yīng)于耦接到柵極布線wg的pmos晶體管和nmos晶體管的數(shù)量而設(shè)置的。柵極模式設(shè)定電路111至11n向耦接到柵極布線wg的pmos晶體管和nmos晶體管中的每個輸出柵極電壓，并控制每個晶體管的導(dǎo)通-關(guān)斷狀態(tài)。在柵極模式設(shè)定電路111至11n所輸出的柵極電壓之中，控制nmos晶體管的柵極電壓被稱為第一輸出值，并且控制pmos晶體管的柵極電壓被稱為第二輸出值。

柵極模式設(shè)定電路111至11n基于控制功率元件5a的導(dǎo)通-關(guān)斷狀態(tài)的柵極控制信號(例如，功率器件控制信號)并基于激活指令信號scns1至scnsn和scps1至scpsn，來相應(yīng)地控制晶體管選擇電路10所選擇的晶體管的導(dǎo)通-關(guān)斷狀態(tài)。具體地，當(dāng)功率器件控制信號處于高電平時，柵極模式設(shè)定電路111至11n向已經(jīng)通過激活指令信號scps1至scpsn被指示激活的pmos晶體管供應(yīng)低電平的柵極電壓，并且同時，向所有nmos晶體管供應(yīng)低電平的柵極電壓。當(dāng)功率器件控制信號處于低電平時，柵極模式設(shè)定電路111至11n向已經(jīng)通過激活指令信號scns1至scnsn被指示激活的nmos晶體管供應(yīng)高電平的柵極電壓，并且同時，向所有pmos晶體管供應(yīng)高電平的柵極電壓。

在電壓監(jiān)控電路13中確定功率元件5a的集電極電壓vc超過關(guān)斷確定閾值的期間，預(yù)升壓電路12通過使用柵極模式設(shè)定電路111至11n來控制nmos晶體管mn1至mnn以處于導(dǎo)通狀態(tài)。在確定集電極電壓沒有超過關(guān)斷確定閾值的期間，相比在集電極電壓vc超過關(guān)斷確定閾值的期間，預(yù)升壓電路12控制nmos晶體管mn1至mnn以增加處于導(dǎo)通狀態(tài)的nmos晶體管的數(shù)量。

電壓監(jiān)控電路13確定功率元件5a的集電極電壓是否已經(jīng)超過預(yù)先建立的關(guān)斷確定閾值。具體地，當(dāng)功率元件5a的集電極電壓vc從集電極電壓vc低于關(guān)斷確定閾值的狀態(tài)變成高于關(guān)斷確定閾值時，電壓監(jiān)控電路13將輸出值從高電平切換成低電平。

此處，說明柵極模式設(shè)定電路111至11n和預(yù)升壓電路12的具體電路。柵極模式設(shè)定電路111至11n基本上是相同的電路。因此，此處以柵極模式設(shè)定電路111作為示例來說明柵極模式設(shè)定電路。

預(yù)升壓電路12包括非(not)電路31、第一邏輯積電路(例如，與(and)電路32)和多個第一邏輯和電路(例如，或(or)電路331至33n)。非電路31輸出功率器件控制信號的反信號。與電路32計算功率器件控制信號的反信號和電壓監(jiān)控電路13的輸出值的邏輯積?；螂娐?31至33n分別對應(yīng)于nmos晶體管mn1至mnn而設(shè)置?；螂娐?31至33n分別計算對應(yīng)的柵極模式設(shè)定電路的第一輸出值和與電路32的輸出值的邏輯和，并且將該邏輯和輸出到對應(yīng)的nmos晶體管。

柵極模式設(shè)定電路111包括非電路21、第二邏輯和電路(例如，或電路22)、第二邏輯積電路(例如，與電路23)、反邏輯和電路(例如，或非(nor)電路24)、第三邏輯和電路(例如，或電路25)、反邏輯積電路(例如，與非(nand)電路26)和第四邏輯和電路(例如，或電路27)。

非電路21輸出功率器件控制信號的反信號?；螂娐?2計算電壓監(jiān)控電路13的輸出值和激活指令信號scns1的邏輯和。與電路23計算功率器件控制信號的反信號和或電路22的輸出值的邏輯積?；蚍请娐?4計算功率器件控制信號的反信號和電壓監(jiān)控電路13的輸出值的反邏輯和?；螂娐?5計算與電路23的輸出值和或非電路24的輸出值的邏輯和，并且將計算出的邏輯和作為柵極模式設(shè)定電路111的第一輸出值輸出。

與非電路26計算激活指令信號scps1和電壓監(jiān)控電路13的輸出值的反邏輯積?；螂娐?7計算與非電路26的輸出值和功率器件控制信號的反信號的邏輯和，并且將計算出的邏輯和作為柵極模式設(shè)定電路111的第二輸出值輸出。

接下來，說明根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器的操作。圖3例示了說明根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器的操作的時序圖。在圖3中所例示的示例中，晶體管選擇電路10僅選擇nmos晶體管mn1和pmos晶體管mp1作為激活目標(biāo)。在根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a中，特征中的一個是在功率元件5a關(guān)斷時的操作。因此，圖3例示了在功率元件5a關(guān)斷時的操作。

如圖3中所例示的，當(dāng)功率器件控制信號從高電平改變成低電平時(定時t1)，根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a將到那時之前已經(jīng)被柵極模式設(shè)定電路111設(shè)定成低電平的pmos晶體管mp1的柵極電壓vgp1從低電平切換至高電平。由此，所有的pmos晶體管mp1至mpn都被設(shè)定成關(guān)斷狀態(tài)。

在定時t1之前的期間，功率元件5a已經(jīng)被接通；因此，在定時t1集電極電壓vc低于關(guān)斷確定閾值vt_off。因此，在定時t1，電壓監(jiān)控電路13輸出高電平的輸出值。因此，在根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器4a中，在定時t1，柵極模式設(shè)定電路111至11n將要供應(yīng)到nmos晶體管mn1至mnn的所有柵極電壓都設(shè)定成高電平。

然后，當(dāng)通過nmos晶體管mn1至mnn來執(zhí)行從功率元件5a的柵極抽取電荷時，功率元件5a接近關(guān)斷狀態(tài)，并且集電極電壓vc超過關(guān)斷確定閾值vt_off(定時t2)。在定時t2，響應(yīng)于電壓監(jiān)控電路13的輸出值從高電平切換成低電平，柵極模式設(shè)定電路111至11n將要供應(yīng)到未被指示激活的nmos晶體管的柵極電壓從高電平切換成低電平。因此，在定時t2或之后，僅通過已經(jīng)被指示激活的nmos晶體管mn1來執(zhí)行從功率元件5a的柵極抽取電荷。然后，隨著功率元件5a的柵極電壓減小，功率元件5a的集電極電壓vc升高，并且在定時t3關(guān)斷操作完成。

如以上說明的，根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器執(zhí)行預(yù)升壓操作，在該預(yù)升壓操作中，基于作為控制目標(biāo)的功率元件的集電極電壓來增加驅(qū)動功率元件的柵極的nmos晶體管的數(shù)量。然后，根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器可以通過執(zhí)行預(yù)升壓操作來縮短圖3中所例示的定時t1至t2的時間段的長度。也就是說，通過執(zhí)行預(yù)升壓操作，根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器可以縮短作為在功率器件控制信號的邏輯電平改變的定時和功率元件關(guān)斷的定時之間的差的死區(qū)時間。

此處，功率元件的集電極電壓vc基于功率晶體管ptr的激活狀態(tài)而改變。因此，在確定功率晶體管ptr的激活狀態(tài)中，相比于功率晶體管ptr的柵極電壓和功率晶體管ptr的閾值電壓之間的關(guān)系，功率元件的集電極電壓vc更正確地反映了功率晶體管ptr的激活狀態(tài)。

因此，通過采用根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器，可以設(shè)定與功率晶體管ptr的激活狀態(tài)相對應(yīng)的預(yù)升壓操作的結(jié)束定時，而不管功率晶體管ptr的閾值電壓的變化如何。也就是說，通過采用根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器，可以將與功率晶體管ptr的激活狀態(tài)對應(yīng)的預(yù)升壓操作的結(jié)束定時保持恒定，而不管功率晶體管ptr的閾值電壓的變化如何。此外，通過采用根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器，不必根據(jù)功率晶體管ptr的閾值電壓變化來執(zhí)行電路的調(diào)整。

在許多情況下，通過不同的制造處理來制造功率元件和柵極驅(qū)動器。可以由用戶分別地準(zhǔn)備功率元件和柵極驅(qū)動器。因此，功率元件的閾值電壓的變化與柵極驅(qū)動器中的電路常數(shù)沒有關(guān)系。因此，難以根據(jù)功率元件的閾值電壓來調(diào)整柵極驅(qū)動器的電路常數(shù)。然而，采用根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器消除了對這種調(diào)整的需要。因此，可以排除為了匹配功率元件和功率器件所需要的處理。

實施例2

在實施例2中，說明電壓監(jiān)控電路13的具體電路的示例。在實施例2中，電壓監(jiān)控電路13采用非飽和保護電路(下文中被稱為desat(去飽和)電路)，該電路檢測其中功率元件的集電極端子tc與電源布線vdd短路的短接到電源故障狀態(tài)。圖4是例示采用desat電路40作為電壓監(jiān)控電路13的根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器的框圖。

如圖4中所示，desat電路40包括二極管41、電阻器42、恒定電流源43、電容器44和比較器45。

二極管41具有耦接到功率元件的集電極端子的陰極端子和耦接到電阻器42的一端的陽極端子。電阻器42耦接在二極管41的陽極端子和比較器45的反相輸入端子之間。確定閾值vt被輸入進比較器的非反相輸入端子，并且比較器45基于確定閾值vt和反相輸入端子處的電壓的幅度關(guān)系來切換比較器45的輸出值(例如，確定信號)的邏輯電平。恒定電流源43耦接在比較器45的反相輸入端子和電源布線vddi之間。電容器44耦接在比較器45的反相輸入端子和接地布線vss之間。

desat電路40檢測功率元件的集電極端子是否已經(jīng)變?yōu)樘幱诙探拥诫娫垂收蠣顟B(tài)。當(dāng)檢測到短接到電源故障狀態(tài)時，desat電路40將確定信號從高電平切換成低電平。因此，在根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器4a中，當(dāng)desat電路40檢測到短接到電源故障狀態(tài)時，柵極模式設(shè)定電路111將nmos晶體管mn1至mnn切換成導(dǎo)通狀態(tài)，并且將pmos晶體管mp1至mpn切換成關(guān)斷狀態(tài)，而不管功率器件控制信號的邏輯電平如何。

接下來，說明根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器的操作。圖5例示了說明其中在根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器中沒有出現(xiàn)短接到電源故障的正常操作時的操作的時序圖。圖5中所例示的時序圖向圖3中所例示的時序圖添加了比較器45的輸入電壓的時序圖，并且操作與根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器相同。

如圖5中所例示的，在desat電路40中，當(dāng)功率元件被關(guān)斷時，功率元件的集電極電壓vc逐漸從低電平升高。因此，在desat電路40中，通過功率元件的集電極抽取被恒定電流源43供應(yīng)到電容器44的電流，直到集電極電壓vc升高至某一程度。然后，當(dāng)集電極電壓vc升高至某一程度并且電容器44充電進行時，比較器45的輸入電壓超過確定閾值vt_off。此處，在比較器45的輸入電壓超過確定閾值vt的時刻的集電極電壓vc變成關(guān)斷確定閾值vt_off。

接下來，圖6例示了說明當(dāng)出現(xiàn)短接到電源故障時根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器的操作的時序圖。圖6中所例示的示例是在功率元件處于導(dǎo)通狀態(tài)的期間在定時ta出現(xiàn)短接到電源故障的情況。

如圖6中所例示的，當(dāng)在功率元件5處于導(dǎo)通狀態(tài)的期間(定時ta)出現(xiàn)短接到電源故障時，集電極電壓vc升高。因此，在desat電路40中，比較器45的輸入電壓隨著集電極電壓vc的升高而升高。然后，在比較器45的輸入電壓超過確定閾值vt的時刻(定時tb)，desat電路40將確定信號設(shè)定在低電平。

因此，在定時tb，柵極模式設(shè)定電路111至11n將供應(yīng)到pmos晶體管mp1并且到定時tb之前被設(shè)定在低電平的柵極信號從低電平切換成高電平。在定時tb，柵極模式設(shè)定電路111至11n還將供應(yīng)到pmos晶體管mp2至mpn的柵極信號切換成高電平。

在定時tb，柵極模式設(shè)定電路111至11n響應(yīng)于已經(jīng)從高電平改變成低電平的desat電路40的確定信號，將或非電路24的輸出從低電平切換成高電平。因此，在定時tb，供應(yīng)到nmos晶體管mn1至mnn的柵極電壓從低電平切換成高電平。因此，在定時tb或之后，功率元件的柵極電壓保持在使功率元件進入關(guān)斷狀態(tài)的電壓。以此方式，功率元件5a變?yōu)樘幱陉P(guān)斷狀態(tài)；因此，可以防止由于短接到電源故障而導(dǎo)致的過大電流流動通過功率元件5a。

如以上說明的，在根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器中，采用desat電路40來替代電壓監(jiān)控電路13。即使當(dāng)采用desat電路40時，也可以執(zhí)行通過預(yù)升壓電路12和desat電路40實現(xiàn)的預(yù)升壓操作，如同根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器的情況一樣。

此外，在實施例2中，可以通過采用desat電路40作為電壓監(jiān)控電路13來保護功率元件免遭短接到電源故障狀態(tài)。不考慮預(yù)升壓操作地設(shè)置該desat電路40。如果柵極驅(qū)動器從開始就包括desat電路40，則可以通過添加預(yù)升壓電路12來執(zhí)行與根據(jù)實施例1的柵極驅(qū)動器相同的預(yù)升壓操作。也就是說，通過采用根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器，可以減少附加電路并可以如同實施例1的情況那樣執(zhí)行預(yù)升壓操作。

實施例3

在實施例3中，說明了根據(jù)實施例2的柵極驅(qū)動器的修改例。在該修改例中，除了當(dāng)功率元件被關(guān)斷時的預(yù)升壓操作之外，當(dāng)功率元件被接通時也執(zhí)行預(yù)升壓操作。圖7例示根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器的框圖。

如圖7中所例示的，根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a包括預(yù)升壓電路70來替代預(yù)升壓電路12。根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a采用desat電路40作為第一電壓監(jiān)控電路。根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a還包括第二電壓監(jiān)控電路(例如，電壓監(jiān)控電路50)和電壓比較器60。

電壓監(jiān)控電路50確定功率元件5a的集電極電壓vc是否已經(jīng)超過預(yù)先建立的接通確定閾值vt_on。具體地，當(dāng)功率元件5a的集電極電壓vc從比接通確定閾值vt_on高的電壓改變成比接通確定閾值vt_on低的電壓時，電壓監(jiān)控電路50將其輸出值從低電平切換成高電平。電壓監(jiān)控電路50包括電壓比較器，并且輸出集電極電壓確定信號?；诠β试?a的集電極電壓vc和具有預(yù)設(shè)電壓值的電壓閾值vt2的幅度關(guān)系來切換集電極電壓確定信號的邏輯電平。

圖8例示了電壓監(jiān)控電路50的框圖。如圖8中所例示的，電壓監(jiān)控電路50包括電阻器51和52以及比較器53。比較器53具有：非反相輸入端子，被供應(yīng)以與接通確定閾值vt_on對應(yīng)的確定閾值vt2；以及反相輸入端子，被供應(yīng)以通過由電阻器51和52再分功率元件5a的集電極電壓vc而得到的電壓。在電壓監(jiān)控電路50中，通過由電阻器51和52再分集電極電壓vc，使得能夠在比較器53的工作范圍內(nèi)進行集電極電壓vc和確定閾值vt2之間的比較。在根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a中，desat電路40所采用的確定閾值vt被稱為確定閾值vt1。

如圖7中所例示的，電壓比較器60基于功率元件5a的柵極電壓和具有預(yù)先設(shè)定的電壓值的柵極電壓確定閾值vth之間的幅度關(guān)系來輸出邏輯電平被切換的柵極電壓確定信號。

預(yù)升壓電路70包括第一邏輯積電路(例如，與電路32)、多個第一邏輯和電路(例如，或電路331至33n)、第一邏輯和電路(例如，或電路75)、多個第二邏輯積電路(例如，與電路761至76n)、第二邏輯和電路(例如，或電路73)和第三邏輯和電路(例如，或電路74)。預(yù)升壓電路60還包括非電路31、71和72。

非電路31輸出功率器件控制信號的反信號。與電路32計算功率器件控制信號的反信號和desat電路40的輸出值的邏輯積。或電路331至33n針對多個nmos晶體管中的每個設(shè)置?；螂娐?31至33n中的每個都計算對應(yīng)的柵極模式設(shè)定電路111至11n的第一輸出值(供應(yīng)到nmos晶體管的柵極電壓)和與電路32的輸出值的邏輯和，并且將計算出的輸出值供應(yīng)到對應(yīng)的nmos晶體管。

或電路75計算柵極控制信號的反信號和第二電壓監(jiān)控電路的輸出值的反值的邏輯和。電路761至76n針對多個pmos晶體管中的每個設(shè)置。與電路761至76n中的每個都計算對應(yīng)的柵極模式設(shè)定電路111至11n的第二輸出值(供應(yīng)到pmos晶體管的柵極電壓)和或電路75的輸出值的邏輯積，并且將計算出的輸出值供應(yīng)到對應(yīng)的pmos晶體管。

非電路71輸出功率器件控制信號的反信號。非電路72輸出由電壓比較器60輸出的柵極電壓確定信號的反信號。或電路73計算柵極電壓確定信號的反信號和功率器件控制信號的反信號的邏輯和。或電路74計算柵極電壓確定信號的反信號和desat電路40的輸出值的邏輯和。

根據(jù)實施例3的柵極模式設(shè)定電路111至11n包括以下的電路配置。柵極模式設(shè)定電路111至11n中的每個都包括第一邏輯電路組和第二邏輯電路組。第一邏輯電路組包括非電路21、第四邏輯和電路(例如，或電路22)、第三邏輯積電路(例如，與電路23)、反邏輯和電路(例如，或非電路24)和第五邏輯和電路(例如，或電路25)。第二邏輯電路組包括反邏輯積電路(例如，與非電路26)和第六邏輯和電路(例如，或電路27)。

非電路21輸出功率器件控制信號的反信號?；螂娐?2計算desat電路40的輸出值和激活指令信號的邏輯和。與電路23計算功率器件控制信號的反信號和或電路22的輸出值的邏輯積?；蚍请娐?4計算預(yù)升壓電路70的或電路73的輸出值和desat電路40的輸出值的反邏輯和?；螂娐?5計算與電路23的輸出值和或非電路24的輸出值的邏輯和，并且將計算出的邏輯和作為柵極模式設(shè)定電路111的第一輸出值輸出。

與非電路26計算激活指令信號和預(yù)升壓電路70的輸出值的反邏輯積?；螂娐?7計算與非電路26的輸出值和功率器件控制信號的反信號的邏輯和，并且將計算出的邏輯和作為柵極模式設(shè)定電路111的第二輸出值輸出。

接下來，說明根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a的操作。圖9例示了說明根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a的操作的時序圖。在圖9中所例示的示例中，除了當(dāng)功率元件5a被關(guān)斷時柵極驅(qū)動器4a的操作之外，還示出了當(dāng)功率元件5a被接通時柵極驅(qū)動器4a的操作。

如圖9中所示，根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a在接通功率元件5a時(定時t11)，將功率器件控制信號從低電平切換成高電平。在定時t11，集電極電壓vc高于接通確定閾值vt_on，因為功率元件5a在定時t11之前已經(jīng)被關(guān)斷。因此，在定時t11，desat電路40和電壓監(jiān)控電路50輸出低電平的輸出值。另一方面，在定時t11，功率元件5a的柵極電壓vg還未升高，而是低于柵極電壓確定閾值vth。因此，在定時t11，由電壓比較器60輸出的柵極電壓確定信號處于低電平。

因此，在根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a中，在定時t11，柵極模式設(shè)定電路111至11n供應(yīng)到nmos晶體管mn1至mnn的所有柵極電壓都被設(shè)定在低電平處。由電壓比較器60輸出的柵極電壓確定信號處于低電平。因此，預(yù)升壓電路70供應(yīng)到pmos晶體管mp1至mpn的所有柵極電壓都被設(shè)定在低電平處。在定時t11或之后，隨著柵極電壓vg升高并且功率元件5a接近導(dǎo)通狀態(tài)，功率元件5a的集電極電壓vc也下降。

隨后，在定時t12，當(dāng)功率元件5a的集電極電壓vc變成低于接通確定閾值vt_on時，電壓監(jiān)控電路50將其輸出值從低電平切換成高電平。因此，柵極模式設(shè)定電路111至11n僅將供應(yīng)到被指示為激活狀態(tài)的pmos晶體管mp1的柵極電壓設(shè)定在低電平處，以及將供應(yīng)到其他pmos晶體管的柵極電壓設(shè)定在高電平處。因此，在定時t12或之后，通過pmos晶體管mp1來執(zhí)行對功率元件5a的柵極的充電。

此處，說明接通確定閾值vt_on。如圖9中所例示的，在根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a中，當(dāng)功率元件5a被接通時，功率元件的集電極電壓vc從高的值起逐漸下降。隨著集電極電壓vc的下降，電壓監(jiān)控電路50的比較器53的輸入電壓下降。因此，確定閾值vt2被設(shè)立為使得在比較器53的輸入電壓變成低于確定閾值vt2的時刻的集電極電壓vc可以被限定為導(dǎo)通確定閾值vt_on。

接下來，在定時t12或之后，當(dāng)對功率元件5a的柵極的充電進行并且柵極電壓vg變成低于確定閾值vt1時，desat電路40將其輸出值從低電平切換成高電平(定時t13)。

接下來，在定時t13或之后，當(dāng)對功率元件5a的柵極的充電進行并且柵極電壓vg超過柵極電壓確定閾值vth時，由電壓比較器60輸出的柵極電壓確定信號從低電平改變成高電平(定時tc)。此處，在根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a中，響應(yīng)于柵極電壓確定信號已經(jīng)改變成高電平的事實或desat電路40的輸出值和電壓監(jiān)控電路50的輸出值二者都已經(jīng)改變成高電平的事實，晶體管選擇電路10的激活指令信號scps1至scpsn被設(shè)定在高電平處(在圖9中所例示的示例中，在柵極電壓確定信號變?yōu)樘幱诟唠娖降亩〞rtc)。然后，在該定時tc，通過將晶體管選擇電路10的激活指令信號scps1至scpsn設(shè)定成高電平，要供應(yīng)到pmos晶體管mp1至mpn的柵極電壓變?yōu)樘幱诘碗娖教?，并且所有pmos晶體管mp1至mpn變?yōu)樘幱趯?dǎo)通狀態(tài)。在定時tc，或電路25和或電路27的輸出值變?yōu)闇?zhǔn)備好根據(jù)desat電路40的輸出值的邏輯電平而改變。

隨后，在定時t14，當(dāng)功率器件控制信號從高電平改變成低電平時，基于所說明的在圖3中所例示的時序圖的定時t1至t3處的操作，執(zhí)行用于減小功率元件5a的柵極電壓的關(guān)斷操作(在定時t14至t18)。在定時t15或之后，柵極電壓下降。因此，在功率元件5a的柵極電壓變成低于柵極電壓確定閾值vth的定時td，由電壓比較器50輸出的柵極電壓確定信號從高電平改變成低電平。定時tc至td的這個時間段是用于在desat電路40的操作輔助下保護功率元件5a免遭短接到電源故障狀態(tài)的desat電路的操作時間段。

圖9中所例示的時序圖示出了：在功率元件5a的集電極電壓vc變成高于關(guān)斷確定閾值vt_off的定時t16，desat電路40的輸出值從高電平改變成低電平。圖9中所例示的時序圖還示出了：在功率元件5a的集電極電壓vc變成高于導(dǎo)通確定閾值vt_on的定時t17，電壓監(jiān)控電路50的輸出值從高電平改變成低電平。

如以上說明的，在根據(jù)實施例3的柵極驅(qū)動器4a中，通過采用電壓監(jiān)控電路50、電壓比較器60和預(yù)升壓電路70，當(dāng)功率元件5a被接通時，可以通過使用包括未被指示激活的pmos晶體管的晶體管來執(zhí)行用于對柵極充電的預(yù)升壓操作。

通過采用電壓監(jiān)控電路50、電壓比較器60和預(yù)升壓電路70，可以使desat電路40僅在desat電路40應(yīng)該操作的期間操作。因此，可以防止其中desat電路40會在不期望的期間操作并且可能引起對功率元件5a的控制失效的故障。

如上所述，已經(jīng)基于實施例對本申請的發(fā)明人所實現(xiàn)的本發(fā)明進行了具體描述。然而，怎樣強調(diào)都不過分的是，本發(fā)明不限于如上所述的實施例，并且可以在不偏離主旨的范圍內(nèi)對本發(fā)明進行各種改變。

例如，實施例中所說明的柵極驅(qū)動器4a還可以應(yīng)用于不同于igbt的功率元件。