[发明专利]电阻器仿真和栅极升压

说明书

用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载的功率开关驱动器，该功率开关驱动器具有负反馈电路以控制输送到控制端子的电流，负反馈电路包括：‑电流输出电路，包括电流源和电流吸收器中的至少一个，该电流输出电路用于提供所述控制端子的所述电流并且被配置为接收输出电流控制信号以控制由电流输出电路提供的电流的幅度；‑端子电压输入电路，用于从所述控制端子接收电压并且输出所述电压的指示；‑放大器，耦合成放大端子电压指示以生成放大器输出；以及‑参考电压输入电路，用于接收参考电压，包括至少一个电阻器，该参考电压输入电路耦合到放大器的电荷供给输入端，其中‑功率开关驱动器被配置为生成依赖于放大器输出的输出电流控制信号，以及‑功率开关驱动器被配置为响应于由端子电压输入电路接收的电压的增大而减小由电流输出电路提供的电流。

技术领域

本发明一般涉及功率转换器、用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载的功率开关驱动器、包括这种功率开关驱动器的功率转换器以及用于控制到功率开关的控制端子的驱动信号以驱动负载的方法。

背景技术

诸如AC至DC转换器或DC至AC逆变器的功率转换器一般包括并联和/或串联连接的功率开关器件(诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))的网络。这种转换器可以用于从低电压芯片到计算机、机车和高电压传输线路的应用。转换器可以用于例如可以例如从海上风力装置运载电力的类型的高电压dc传输线路中的开关以及用于对于马达等(例如机车马达)的中等电压(例如，大于1kV)开关。

以下描述一般涉及驱动一个或多个功率开关，功率开关进而被配置为用于驱动功率转换器的负载。作为(一个或多个)功率开关，IGBT例如用来通过施加低电平电压或电流来控制大电流，一些IGBT的额定值为例如1200V或1700V，和/或1200A。但是，本文所描述的原理和实施例一般可应用于(一个或多个)功率开关代替地是MOSFET(诸如碳化硅MOSFET(垂直或横向))、HEMT(高电子迁移率晶体管)、JFET(结晶型场效应晶体管)或其它类型的情况。因此，一般可以参考任何这种器件来替代对IGBT或功率开关的任何提及。此外，我们将描述的技术不限于任何特定类型的器件结构，因此功率开关器件可以是例如垂直或横向器件；它们可以在一系列技术中制造，一系列技术包括但不限于硅、碳化硅或氮化镓。

不过，我们关心的功率半导体开关器件通常具有大于1A的电流承载能力，并且可以以大于100V的电压操作，例如，能够承载大于10A、50A或100A的电流和/或能够承受大于500V或1kV的器件两端的电压差的器件。

典型的IGBT栅极驱动包括图1中所示的元件。栅极驱动逻辑包括参考3V3或5V电源的数字逻辑电路，该数字逻辑电路接收指示何时将功率开关(例如，IGBT)接通和关断的传入信号(PWM)。栅极驱动逻辑创建分别指示何时向功率开关提供电流以及何时从功率开关移除电流的信号(SOURCE和SINK)。通常需要电平变换(translation)级以在较宽的电压范围(例如，-10V至+15V)上驱动功率开关。用于驱动IGBT的输出级包括晶体管P沟道MOSFET和N沟道MOSFET(标记为PMOS和NMOS)或双极型PNP晶体管和双极型NPN晶体管，具有被选择为匹配功率开关和/或负载的特性的接通电阻器(Ron)和关断电阻器(Roff)。输出级晶体管能够处理高电流，以及因为数字逻辑和电平变换不能提供足够的电流来直接接通和关断输出级晶体管所以输出级晶体管通常需要驱动级。

IGBT可以设置在优选地包括该IGBT器件和反向并联的换向二极管(即，续流二极管)的模块中。IGBT模块制造商一般公布用于最小损耗的优选的栅极电阻值。在IGBT接通的情况下，在IGBT开关损耗和二极管反向恢复损耗之间存在折衷。一般期望任何减少总体损耗的尝试都确保二极管停留在其安全操作区域(SOA)内，这可以通过优选地不被交叉的最大功率耗散线表示在电压对电流的曲线图上。例如，如果转换器输出电路的开关速度太快，则二极管可能会损坏。IGBT制造商一般在假设电压源驱动具有电阻(电阻性驱动)的情况下针对最小的总体损耗优化其产品。由于这个原因，期望任何驱动电路(驱动器)都是优选地具有在IGBT制造商的指定范围内的输出(栅极驱动)电阻的电阻性驱动。