[发明专利]可降低功率半导体传导损耗的栅极驱动电路

说明书

本公开提供一种可降低功率半导体传导损耗的栅极驱动电路，其中栅极驱动电路接收输入控制信号并提供电压至半导体开关器件的栅极。栅极驱动电路包含第一电压源、第二电压源及选择器。第一及第二电压源分别提供第一电压及第二电压，其中第一电压大于第二电压。根据输入控制信号的逻辑准位，选择器可选择将第一电压或第二电压施加于半导体开关器件的栅极。

技术领域

本公开涉及一种适用于功率半导体器件的驱动电路，例如适用于高电压与大电流应用中的IGBT(insulated-gate bipolar transistor，绝缘栅双极性晶体管)或MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属氧化物半导体场效晶体管)的驱动电路。

背景技术

图1示出了一种现有栅极驱动电路100，其用以驱动功率半导体器件101的栅极。于图1中，功率半导体器件101以IGBT示意，然而实际上功率半导体器件101可为众多功率半导体器件中的任意一种，例如MOSFET。如本领域技术人员所熟知，现有的栅极驱动电路100通常还包含信号隔离、电源供应、监控及保护等电路，图1中是省略该些电路，以使说明更加简洁。如图1所示，栅极驱动电路100包含缓冲级108、导通栅极电阻Ron及关断栅极电阻Roff，其中缓冲级108可例如由NPN型BJT(bipolar junction transistor，双极结型晶体管)Q1及PNP型BJT Q2所构成。缓冲级108连接于电源供应电路109(例如提供+15V电压)与接地参考点之间。栅极驱动电路100接收输入控制信号106(例如源自微处理器的输入控制信号)并提供输出信号至IGBT 101的栅极102。输入控制信号106致使缓冲级108导通NPN型BJT Q1或PNP型BJT Q2，从而对IGBT 101的栅极102进行充电或放电。虽此处以NPN型BJT Q1或PNP型BJT Q2来描述缓冲级108，然其它种开关装置(例如MOSFET)亦可用以实现缓冲级108。当输入控制信号106处于高压时，NPN型BJT Q1导通，进而以电源供应电路109的电压通过电阻Ron对IGBT 101的栅极102的电容进行充电。反之，当输入控制信号106处于低压时，PNP型BJT Q2导通，进而将IGBT 101的栅极102的电容通过电阻Roff对接地端进行放电。

基于IGBT 101的跨导，IGBT 101的集极103处的电流i_C是由IGBT 101的栅极102及射极104上的栅极-射极电压V_GE所决定。电压V_GE越高，则电流i_C越高，因此在电流i_C饱和时，集极-射极电压V_CE较低。为了尽可能降低传导损耗，电源供应电路109需提供较高的电压，然而，若发生短路情况，较高的栅极-射极电压V_GE可能导致短路电流较大。其原因在于，当发生短路情况时，较高的栅极-射极电压V_GE导致集极电流i_C更加快速的上升(对比于低栅极-射极电压V_GE)。再者，在栅极102充满电时，IGBT 101运行于较高的去饱和电流准位，集极电流i_C具有较大电流值。综合以上因素进行考虑，通常多折衷选择电源供应电路109的输出电压为+15V。

现有技术中有许多关于改善功率半导体器件的栅极驱动电路的主题，例如发明名称为“Adaptive Gate Drive Voltage Circuit”的美国专利US7,265,601，其公开一种通过最佳化栅极驱动电压来降低DC/DC转换器的损耗的方法，于此专利中，驱动电路可基于输出负载电流而调整栅极电压，具体而言，栅极电压在负载电流较小时降低，而在负载电流较大时升高。此外，还例如发明名称为“High performance IGBT gate drive”的美国专利US9,444,448，其公开可利用接近IGBT的临界电压的一或多个中间电压来控制集极-射极电压和射极电流在IGBT关断时的变化速率，从而尽可能减少开关损耗。

发明内容