專利名稱：柵極驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
應(yīng)用了電力開關(guān)元件的電力變換器隨著具有更大容量和更高速度的開關(guān)元件的發(fā)展已經(jīng)穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用范圍。近來，在這種電力開關(guān)元件中，IGBT和MOSFET，其是MOS柵型開關(guān)元件，尤其已經(jīng)穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用范圍。
IGBT和MOSFET是非鎖存類型開關(guān)元件，并且其不維持其開/關(guān)狀態(tài)。這些非鎖存類型開關(guān)元件的主要優(yōu)點(diǎn)在于與諸如可控硅的鎖存類型開關(guān)元件相比，通過柵極驅(qū)動，高可控性是可能的。使用這些非鎖存類型開關(guān)元件，即使在導(dǎo)通和截止之間的開關(guān)換向期間，可以通過柵極控制抑制沖擊電壓和沖擊電流，并且可以自由地控制在開關(guān)換向期間的電流或電壓的梯度。
其中利用了這種非鎖存類型開關(guān)元件的特征的應(yīng)用示例包括使用有源柵極驅(qū)動技術(shù)的多路串行(multi-series)高電壓變換器。該多路串行高電壓變換器通過以多路串行連接的方式連接多個具有受限的耐受壓力的元件，實(shí)現(xiàn)了可以用于諸如電力系統(tǒng)的高壓使用的高壓變換器。在多路串行變換器中，存在如下問題由在串行連接的所述多個元件之間的開關(guān)定時的輕微差異而導(dǎo)致大的電壓分配的分散。有源柵極驅(qū)動技術(shù)是針對該問題的計(jì)數(shù)器測量。
圖1是傳統(tǒng)柵極驅(qū)動電路的電路配置圖。在日本專利申請第2005-86940號中公開了該柵極驅(qū)動電路。其是開關(guān)元件9的控制輸入端子的柵極電極通過柵極電阻3連接到電壓放大器5，并且還連接到控制電流源6的輸出?？刂齐娏髟?的輸入連接到電壓放大器2的輸出。開關(guān)元件9的集電極至發(fā)射極電壓被施加到電壓放大器2的輸入，所述集電極至發(fā)射極電壓由用于分壓的電阻4a和4b分擔(dān)。在正常工作狀態(tài)下，開關(guān)元件9根據(jù)通過電壓放大器5施加的柵極信號執(zhí)行開/關(guān)操作。然而，在開關(guān)元件9被截止時產(chǎn)生沖擊電壓的情況下，控制電流源6的輸出電流增加。由于電流從控制電流源6流入到開關(guān)元件9的柵極端子中而導(dǎo)致開關(guān)元件9的柵極電壓上升。隨此，開關(guān)元件9的集電極電流增加。因此，開關(guān)元件9的集電極電壓下降。通過這種操作，抑制了開關(guān)元件9的沖擊電壓。
圖1所示的柵極驅(qū)動電路通過對柵極驅(qū)動電路中的開關(guān)元件的主電壓Vce進(jìn)行反饋控制，抑制了沖擊電壓的產(chǎn)生。除了開關(guān)元件之外，這種方法不需要任何主電路元件。因此，有如下優(yōu)點(diǎn)電路配置簡單。然而，由于開關(guān)元件需要共享所有損耗，存在如下問題元件損耗增加。
通過參照圖2和3，以下將詳細(xì)描述該問題。
在圖2中，集電極電流Ic在周期T1期間開始略有下降。集電極電壓與集電極電流的時間導(dǎo)數(shù)值成比例地上升。因此，在周期T1期間，集電極電壓快速上升。當(dāng)集電極電壓Vce達(dá)到特定常數(shù)值時，用于抑制峰值沖擊電壓的有源柵極驅(qū)動電路開始工作，并且控制集電極電壓以將其抑制在常數(shù)值。將該周期定義為周期T2。由于集電極電壓是恒定的，所以集電極電流的時間導(dǎo)數(shù)值也是常數(shù)值。因此，集電極電流線性降低。當(dāng)集電極電流基本為0時，終止周期T2。在周期T3期間，集電極電流基本為0，并且集電極電壓快速收斂于電源電壓Vdc。
另一方面，圖3示出了在未使用有源柵極的情況下集電極電流和集電極至發(fā)射極電壓的波形。在此情況下，圖2中的周期T2不存在。在周期T1期間，隨著集電極電流Ic下降，集電極至發(fā)射極電壓Vce與集電極電流Ic的時間導(dǎo)數(shù)值成比例地上升。此后，集電極至發(fā)射極電壓Vce到達(dá)峰值，并且在集電極電流Ic基本到達(dá)0時快速下降，其中集電極至發(fā)射極電壓Vce是基本等于電源電壓Vdc的值。此時，終止周期T1以進(jìn)入周期T3。
在未使用有源柵極驅(qū)動的情況下，用于抑制該集電極至發(fā)射極電壓Vce的電路元件和控制電路不存在。因此，在主電路的電感大的情況下，集電極至發(fā)射極電壓在圖3的周期T1期間超過可接受的最大值，并且擊穿了該開關(guān)元件。應(yīng)用有源柵極驅(qū)動的目的在于，通過用于抑制該峰值電壓的控制來防止開關(guān)元件被擊穿。
在通過有源柵極驅(qū)動技術(shù)抑制峰值沖擊電壓的情況下，在抑制開關(guān)元件被截止時的沖擊電壓的周期期間產(chǎn)生過多的損耗。圖2中的周期T2對應(yīng)于上述周期。在周期T2期間，有源柵極電路工作，以便集電極電壓可以被箝位在常數(shù)值。開關(guān)元件被截止時的集電極電壓與dIc/dt成比例，所述dIc/dt是集電極電流Ic的時間導(dǎo)數(shù)值。因此，在周期T2期間的dIc/dt，即集電極電流Ic的梯度是常數(shù)值。當(dāng)該周期T2期間的集電極至發(fā)射極電壓被定義為Vcep1，直流電源電壓被定義為Vdc，而主電路的寄生電感的分量被定義為Ls時，形成以下關(guān)系式Vcept-Vdc=-Ls×dIcdt]]>因此，當(dāng)假設(shè)周期T2期間的元件損耗被定義為E2，周期T2的時間寬度被定義為t2，集電極電流的最大值被定義為Icp1，并且尾電流足夠小時，形成以下關(guān)系式E2=12Vcep1×Icp1×t2=12Vcep1×Icp12×LsVcep1-Vdc=12Ls×Icp12×Vcep1Vcep1-Vdc]]>也就是說，在周期T2期間的元件損耗與集電極電流的最大值Icp1的平方成比例。此外，元件損耗在截止周期的集電極至發(fā)射極電壓Vcep1更接近電源電壓Vdc時急劇增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種用于在使用有源柵極驅(qū)動技術(shù)進(jìn)行沖擊電壓抑制時，抑制元件損耗增加的柵極驅(qū)動電路。
本發(fā)明的第一方面是一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極電極的柵極驅(qū)動電路。所述柵極驅(qū)動電路包括主電壓檢測單元，用于檢測在電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到柵極電極中；主電流檢測單元，用于檢測在電力開關(guān)元件的主電極之間流動的主電流；和調(diào)整單元，用于根據(jù)所述主電流檢測單元檢測的主電流，調(diào)整所述控制電流源的電流。
本發(fā)明的第二方面是一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極電極的柵極驅(qū)動電路。所述柵極驅(qū)動電路包括主電壓檢測單元，用于檢測在電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到柵極電極中；柵極電壓檢測單元，用于檢測所述電力開關(guān)元件的柵極電極的電壓；以及調(diào)整單元，用于根據(jù)所述柵極電壓檢測單元檢測的柵極電極的電壓，調(diào)整所述控制電流源的電流。
本發(fā)明的第三方面是一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極電極的柵極驅(qū)動電路。所述柵極驅(qū)動電路包括主電壓檢測單元，用于檢測在電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到所述柵極電極中；柵極電阻，其連接到所述電力開關(guān)元件的柵極電極；柵極電流檢測單元，用于檢測流經(jīng)所述柵極電阻的柵極電流；以及調(diào)整單元，用于根據(jù)所述柵極電流檢測單元檢測的柵極電流，調(diào)整所述控制電流源的電流。
根據(jù)本發(fā)明的第一、第二和第三方面，通過應(yīng)用有源柵極驅(qū)動技術(shù)，不僅施加到開關(guān)元件的沖擊電壓可以被抑制，而且調(diào)整單元根據(jù)在開關(guān)元件的主電極之間流動的主電流，調(diào)整控制電流源的電流。從而，可以根據(jù)調(diào)整的電流而改變沖擊電壓的抑制值。因此，可以抑制開關(guān)元件損耗的增加，而與有源柵極驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用無關(guān)。


圖1是傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖；圖2是用于說明在傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動電路中的元件損耗的曲線圖；圖3是用于說明在傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動電路中未應(yīng)用有源柵極驅(qū)動的情況下元件損耗的曲線圖；
圖4是第一實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖；圖5是第二實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖；圖6是第三實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖；和圖7是第四實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖。
具體實(shí)施例方式
通過參照附圖，以下將詳細(xì)描述本發(fā)明的柵極驅(qū)動電路的多個實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)圖4是第一實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖。柵極驅(qū)動電路11a驅(qū)動開關(guān)元件9。除了圖1的配置之外，柵極驅(qū)動電路11a具有電壓放大器13、加法器12、以及電流檢測器14。
電流檢測器14對應(yīng)于本發(fā)明的主電流檢測單元，并且其一端連接到開關(guān)元件9的發(fā)射極。電流檢測器14檢測流經(jīng)開關(guān)元件9的集電極電流，并且將與所檢測的電流成比例的電壓輸出到電壓放大器13。電壓放大器13放大從電流檢測器14輸出的電壓，并將所產(chǎn)生的電壓輸出到加法器12的反相輸入端子。
用于分壓的電阻4a和4b在開關(guān)元件9的集電極和電流檢測器14的另一端之間相互串連。串連的電阻4a和4b對應(yīng)于本發(fā)明的主電壓檢測單元，并且開關(guān)元件9的集電極至發(fā)射極電壓Vce被電阻4a和4b分擔(dān)，并且將該電壓Vce輸出到加法器12的非反相輸入端子。
加法器12對應(yīng)于本發(fā)明的調(diào)整單元，并且從被電阻4a和4b分擔(dān)的電壓Vce中減去來自電壓放大器13的電壓，將所獲得的差值電壓輸出到電壓放大器2。電壓放大器2放大來自加法器12的差值電壓，并且將所產(chǎn)生的電壓輸出到控制電流源6?？刂齐娏髟?根據(jù)電壓放大器2放大的差值電壓調(diào)整電流量，并且將電流施加到開關(guān)元件9的柵極端子。
接著，將描述如上所述配置的第一實(shí)施例的操作。電流檢測器14的輸出電壓與開關(guān)元件9的集電極電流成比例。為此原因，開關(guān)元件9的集電極電流越大，則電壓放大器13的輸出電壓越高。因此，通過加法器12的操作，開關(guān)元件9的集電極電流越大，則對于相同的部分壓力的輸出，電壓放大器2的輸出越小。相反，為了使控制電流源6將恒定電流注入到開關(guān)元件9的柵極，則集電極電流越大，需要集電極至發(fā)射極電壓越大。
也就是，集電極電流越大，集電極電壓的箝位電平越高，該箝位電平由有源柵極驅(qū)動電路確定。
因此，在第一實(shí)施例中，在集電極電流示出了諸如圖6中的Icp2的高值的情況下，采用其中集電極電壓也示出了諸如Vcep2的高值的電路配置。根據(jù)公式(2)，指示了由于在Vcep2和Vdc之間的較大差值而使得元件損耗被抑制。
在傳統(tǒng)技術(shù)的情況下，在圖2中，即使在開關(guān)元件被截止時集電極電流為Icp1或Icp2時，集電極電壓的峰值保持Vcep1。因此，在集電極電流增加的情況下?lián)p耗增加。在本發(fā)明中，集電極電壓的峰值隨著集電極電流增加而從Vcep1增加到Vcep2。因此，抑制了元件損耗的增加。
以此方式，根據(jù)第一實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路，在給有源柵極驅(qū)動電路提供了抑制沖擊電壓的功能的同時，由于集電極電流越大，則集電極電壓的箝位電平上升地越多，所以同時抑制了元件損耗的增加。
(第二實(shí)施例)圖5是第二實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖。使用第一實(shí)施例的配置，由電流檢測器14直接檢測開關(guān)元件9的集電極電流。然而，存在如下情況電流檢測器通常非常昂貴，并且其尺寸大。在圖5所示的第二實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的配置中，通過開關(guān)元件9的柵極電壓來代替電流檢測器14，而間接地檢測集電極電流。
開關(guān)元件9的柵極電極對應(yīng)于本發(fā)明的柵極電壓檢測單元，并且連接到電壓放大器13的輸入。電壓放大器13放大開關(guān)元件9的柵極電壓，并且將所產(chǎn)生的電壓輸出到加法器12的反相輸入端子。
接著，將描述如上所述配置的第二實(shí)施例的操作。開關(guān)元件9的柵極電壓與在開關(guān)元件被截止的換向周期的集電極電流成比例地較大。更具體地，使用相對于表示柵極電壓的值的線而繪制的平方曲線來表示集電極電流的值。因此，在圖5中，在元件被截止的換向周期期間，集電極電流越大，則柵極驅(qū)動電路11b內(nèi)部的電壓放大器13的輸入/輸出電壓越高。因此，即使在由電阻4a和4b構(gòu)成的分壓器的輸出相等時，加法器12的輸出電壓較小。也就是，集電極電流越大，則對于相同的集電極至發(fā)射極電壓，控制電流源6的輸入電壓越低。這代表如下事實(shí)集電極電流越大，集電極電壓的箝位電平越高，該箝位電平由有源柵極驅(qū)動電路確定。
如上所述，根據(jù)第二實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路，在給有源柵極驅(qū)動電路提供抑制沖擊電壓的功能的同時，由于集電極電流越大，則集電極電壓的箝位電平上升地越多，所以可以同時抑制元件損耗的增加，而無需使用昂貴的電流檢測器。
(第三實(shí)施例)第二實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路使用柵極電壓間接地檢測開關(guān)元件9的集電極電流。然而，在很多大的電力元件中，柵極電壓采用+15V至-15V的相對較寬范圍內(nèi)的值。為此原因，存在為了檢測柵極電壓而需要有些復(fù)雜的電子電路。相反，在圖6所示的第三實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路中，不直接使用柵極電壓。代替地，基于流經(jīng)柵極電阻的電流，間接地檢測集電極電流。
電流檢測器15對應(yīng)于本發(fā)明的柵極電流檢測單元，并且其一端通過柵極電阻3連接到開關(guān)元件9的柵極端子。電流檢測器15的另一端連接到電壓放大器5的輸出端子。如此，電流檢測器15將與所檢測的柵極電流的電流值成比例的電壓輸出到電壓放大器13。電壓放大器13放大從電流檢測器15輸出的電壓，并且將所產(chǎn)生的電壓輸出到加法器12的反相輸入端子。
接著，將描述如上所述配置的第三實(shí)施例的操作。在導(dǎo)致開關(guān)元件9被截止的處理中，流經(jīng)柵極電阻3的較大電流導(dǎo)致加法器12的反相輸入的電壓較高，并且控制電流源6的輸入電壓較低。在開關(guān)元件9被截止時，電壓放大器5的輸出電壓是最小值，其為負(fù)。為此原因，開關(guān)元件9的柵極電壓越高，則流經(jīng)柵極電阻3的電流越大。因此，開關(guān)元件9的集電極電流越大，則柵極電壓越高并且流經(jīng)柵極電阻3的電流越大。結(jié)果，控制電流源6的輸出電流越小。也就是，集電極電流越大，則集電極電壓的箝位電平越高，所述箝位電平由有源柵極驅(qū)動電路確定。
如上所述，根據(jù)第三實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路，在給有源柵極驅(qū)動電路提供抑制沖擊電壓的功能的同時，由于集電極電流越大，則箝位電平越高，所以同時抑制了元件損耗的增加，而無需使用柵極電壓檢測電流。
(第四實(shí)施例)圖7是第四實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路的電路配置圖。在第一至第三實(shí)施例中，將基于所檢測的開關(guān)元件9的集電極電流的電壓輸入到加法器12。然而，集電極電流反饋的目的在于，根據(jù)正好在開關(guān)元件9被截止之前的集電極電流的幅度，調(diào)整有源柵極的可操作電平。因此，并非通過按照在開關(guān)元件9被截止的換向周期期間的集電極電流值，而是按照正好在開關(guān)元件9被截止之前的集電極電流值，調(diào)整有源開關(guān)操作的操作電平，而使有源柵極操作更穩(wěn)定。
至此，在圖7所示的第四實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路11d中，使用了跟蹤/保持放大器16。跟蹤/保持放大器16對應(yīng)于本發(fā)明的輸出跟蹤/保持單元，并且通過柵極電阻3連接到開關(guān)元件9的柵極電極。跟蹤/保持放大器16監(jiān)控開關(guān)元件9的開/關(guān)信號。電流檢測器14將與所檢測的集電極電流成比例的電壓輸出到跟蹤/保持放大器16的輸入端子。跟蹤/保持放大器16根據(jù)開關(guān)元件9的開/關(guān)信號，跟隨或保持電流檢測器14的輸出電壓，并且將該電壓輸出到加法器12的反相輸入端子。
接著，將描述如上所述配置的第四實(shí)施例的操作。在將“開”信號施加到開關(guān)元件9的同時，跟蹤/保持放大器16根據(jù)電壓放大器5的輸出電壓以跟蹤模式操作，并將與電流檢測器14的輸出電壓成比例的信號輸入到加法器12。當(dāng)將“關(guān)”信號施加到開關(guān)元件9時，將跟蹤/保持放大器16的模式改變到保持模式，并且跟蹤/保持放大器16保持與在施加“關(guān)”信號時電流檢測器14的輸出電壓成比例的信號電平。此后，跟蹤/保持放大器16將該信號電平輸入到加法器12。以此方式，開關(guān)元件9的集電極電流越大，則集電極電壓的箝位電平上升地越多。因此，可以抑制損耗的增加。
如上所述，根據(jù)第四實(shí)施例的柵極驅(qū)動電路，即使在開關(guān)元件9處于被截止的換向周期內(nèi)，跟蹤/保持放大器16保持如下電壓，該電壓與正好在開關(guān)元件9被截止之前的主電流的幅度一致。因此，可以根據(jù)所保持的電壓調(diào)整有源柵極的操作電平。因此，可以更穩(wěn)定地執(zhí)行有源柵極操作。
在第一至第四實(shí)施例中，例如IGBT被用作為開關(guān)元件。此外，開關(guān)元件不限于IGBT?？梢詫⒂呻妷嚎刂频娜魏畏擎i存類型開關(guān)元件(例如，MOSFET等)應(yīng)用于本發(fā)明。
本發(fā)明可以用于在電力變換器電路中使用的電力開關(guān)元件的柵極驅(qū)動。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極電極的柵極驅(qū)動電路，包括主電壓檢測單元，用于檢測在所述電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)由所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到所述柵極電極中；主電流檢測單元，用于檢測在所述電力開關(guān)元件的主電極之間流動的主電流；和調(diào)整單元，用于根據(jù)由所述主電流檢測單元檢測的主電流，調(diào)整所述控制電流源的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的柵極驅(qū)動電路，其中所述調(diào)整單元包括操作單元，用于將這樣的差值電壓輸出到所述控制電流源，即所述差值電壓通過從所述主電壓檢測單元檢測的電壓中減去與所述主電流檢測單元檢測的主電流成比例的電壓而獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的柵極驅(qū)動電路，其中所述調(diào)整單元包括輸出跟蹤/保持單元，用于根據(jù)所述電力開關(guān)元件是導(dǎo)通還是截止，跟隨或保持所述主電流檢測單元的輸出，以及將所述輸出輸出到所述操作單元的反相輸入端子。
4.一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極電極的柵極驅(qū)動電路，包括主電壓檢測單元，用于檢測在所述電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到所述柵極電極中；柵極電壓檢測單元，用于檢測所述電力開關(guān)元件的柵極電極的電壓；以及調(diào)整單元，用于根據(jù)所述柵極電壓檢測單元檢測的柵極電極的電壓，調(diào)整所述控制電流源的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的柵極驅(qū)動電路，其中所述調(diào)整單元包括操作單元，用于將這樣的差值電壓輸出到所述控制電流源，即所述差值電壓通過從所述主電壓檢測單元檢測的電壓中減去所述柵極電壓檢測單元檢測的電壓而獲得。
6.一種用于驅(qū)動電力開關(guān)元件的柵極電極的柵極驅(qū)動電路，包括主電壓檢測單元，用于檢測在所述電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到所述柵極電極中；柵極電阻，其連接到所述電力開關(guān)元件的柵極電極；柵極電流檢測單元，用于檢測流經(jīng)所述柵極電阻的柵極電流；和調(diào)整單元，用于根據(jù)所述柵極電流檢測單元檢測的柵極電流，調(diào)整所述控制電流源的電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的柵極驅(qū)動電路，其中所述調(diào)整單元包括操作單元，用于將這樣的差值電壓輸出到所述控制電流源，即所述差值電壓通過從所述主電壓檢測單元檢測的電壓中減去與所述柵極電流檢測單元檢測的柵極電流成比例的電壓而獲得。
全文摘要
本發(fā)明包括主電壓檢測單元，用于檢測在電力開關(guān)元件的主電極之間施加的電壓；控制電流源，用于根據(jù)所述主電壓檢測單元檢測的電壓，將電流注入到所述電力開關(guān)元件的柵極電極中；主電流檢測單元，用于檢測在所述電力開關(guān)元件的主電極之間流動的主電流；以及調(diào)整單元，用于根據(jù)所述主電流檢測單元檢測的主電流，調(diào)整所述控制電流源的電流。
文檔編號H02M1/08GK101022243SQ200710001768
公開日2007年8月22日 申請日期2007年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者田井裕通 申請人:株式會社東芝