[发明专利]有源栅极驱动电路

说明书

技术领域

本发明涉及栅极驱动器，具体地涉及利用电流和电压斜率的闭合控制回路的栅极驱动器。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块被广泛用于感应（硬）开关电压源电力电子转换器，例如驱动器、开关式电源或固态变压器。

下述需求是IGBT的栅极驱动的挑战性任务：最小化IGBT的开关损耗，使电流条件和电压条件保持在安全工作区（SOA），例如限制关断过电压和在导通期间的峰值反向恢复电流，以及限制电磁干扰（EMI）。设置导通下的集电极电流斜率di_C/dt使得能够限制峰值反向恢复电流，并且关断期间的di_C/dt限定了由于跨总换向回路电感L_σ的电压降而产生的过电压。为了提供电磁兼容（EMC），根据具体情况，di_C/dt和集电极-发射极电压斜率dv_CE/dt必须被限制为指定值。

分别针对导通和关断的独立的电流斜率和电压斜率控制使得栅极驱动能够在保持在SOA且提供EMC的同时以最小的开关损耗在所有操作点最佳地开关IGBT。另外，如果直接串联或并联连接IGBT模块，对dv_CE/dt或di_C/dt的控制使得能够进行对称的电压或电流的共享。

调节IGBT的开关速度的简单且常见的方式是将附加的无源元件插入到电路中。附加的栅极电阻R_G使栅极电流减小，并且因此也使电流斜率和电压斜率二者减小，额外的密勒电容C_GC使dv_CE/dt降低，添加的栅极-发射极电容C_Ge使di_C/dt减慢。该方法通常由于多于所需的栅极电荷量而导致过度的开关损耗或者导致增加的延迟以及栅极驱动损耗。

为避免附加的栅极驱动损耗，可以使用前馈栅极电压形状生成器[1]来调节di_C/dt。但是，在该方法中电压斜率的可控性较小。

在开关瞬变期间影响栅极电流的进一步的可能性是例如可切换或可调节的栅极电阻器、电流源/宿（sink）或栅极电压。因为这种具有可调节的输出级的栅极驱动器的实现必须确保在SOA内的操作，例如针对所有操作条件（变化的T_j,i_C,v_CE）受限的di_C/dt和dv_CE/dt，所以对于大多数操作点，不能实现期望的最佳电流斜率和电压斜率，从而导致增加的开关损耗。另外，半导体的系统状态，例如从电流瞬变至电压瞬变的转变以及相反的转变，必须在附加的复杂电路中被最精确地检测出，从而能够独立地调节di_C/dt和dv_CE/dt。

缺少对IGBT的非线性和对操作点的依赖性的补偿是所有这些开环控制拓扑结构的进一步以及主要的缺点。IGBT的跨导g_m实际上随着栅极电压v_Ge而变化，并且结温T_j以及电容值C_Ge和C_GC两者取决于施加的电压，特别是密勒电容。因此通过开环方法，不能获得准确限定且恒定的电流斜率和电压斜率。因此，应用带反馈的拓扑结构以实现更精确的控制。

由于简单且高带宽的测量电路，借助于di_C/dt和dv_CE/dt控制拓扑结构来实现关于模拟控制带宽的最佳性能，易于生成恒定的参考值和简单的控制放大器级。提出了仅di_C/dt控制的不同实现或者针对导通或关断期间的电流或电压斜率控制的单独的解决方案[2]。

在[3]中提出了一种导通和关断di_C/dt和dv_CE/dt控制的全面的方案。由于通过大量双极晶体管的实现以及对控制回路的有源的检测和选择，所以性能被限制到200A/μs和1kV/μs。

发明内容

本发明的目的是提供一种驱动方法及实现该方法的驱动器电路，以缓解上述缺点。本发明的目的通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法及电路来实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。

本发明基于如下思想：使用单个的控制栅控元件的di_C/dt和dv_CE/dt两者的PI控制器。由于导通和关断过程的性质，不是集电极电流就是集电极-发射极电压每次改变，从而使得能够使用仅一个PI控制器。