[发明专利]用于操作半导体功率开关的方法和驱动电路

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2009年5月11日提交的、名称为“Verfahren und Treiberschaltung zum Treiben eines Halbleiterleistungsschalters”的同时待审的欧洲专利申请No.09 159930.8的优先权。

技术领域

本发明涉及用于操作半导体功率开关的方法和驱动电路。更具体地，本发明涉及用于响应于包含在控制信号中的第一和第二切换命令而操作具有控制电极和参考电极的半导体功率开关的方法和驱动电路。

通常，每个第一切换信号包括从控制信号的第一值到控制信号的第二值的改变，并且请求半导体功率开关来切换或开启，而每个第二切换命令包括从控制信号的第二值到控制信号的第一值的改变，并且请求半导体功率开关来切换或开启，或反之亦然。控制信号通常是数字信号，其中第一和第二值分别表示逻辑0和逻辑1。

半导体功率开关包括例如IGBT或场效应晶体管的压控部件。虽然在没有电压施加到半导体功率开关的控制电极时，半导体功率开关通常可以是常非导通或常导通，但是以下说明书专注于常非导通型半导体功率开关。更具体地，本发明涉及能够以高频对其进行钟控的快速切换半导体功率开关。

背景技术

许多电子功率电路包括半导体开关，当没有电压提供于半导体开关的控制电极时该半导体开关是非导通的，而当控制电压施加到半导体开关的控制电极时，半导体开关变为导通(或者反之亦然)。具有绝缘控制电极的半导体功率开关(例如MOSFET或IGBT)通常以10到15伏特范围内的控制电压操作。

在一些应用中，如果半导体功率开关要变为非导通，则切断施加到控制电极的电压就足够了。这在仅需要单个驱动电源电压时尤其有利。在许多情况下，可以使用简单的自举电路供应这个电压。

然而，在半导体功率开关在桥式电路(即，半桥或全桥)中操作的情况下，经常会必需施加反相(inverted)电势差到该半导体功率开关的控制电极，以使得该功率开关即使在瞬态过程期间也保持非导通。目前市场上可获得的集成驱动电路通常设计为在15到20伏特的电压范围内操作。这会限制能够施加到控制电极的最大电压差。

如果需要更高的电压差来激活半导体功率开关，则驱动器可以在原理上被设计为采用分立以及充分耐压部件。替代地，电压可以由控制电压转换器的方式转换到更高电平。两种解决方案都需要相当大的努力。此外第二种解决方案还不适合在半导体功率开关的控制电极上产生静态电压。

已公开的德国专利申请DE 37 18 001 A1公开了一种设计为从单极数据信号产生双极数字数据信号的电路布局，响应于单极数据信号，将电路输出与单极电压源的正极或负极端连接。为此，该电路布局的特征在于由反相器(inverter)实现的开关组合。

已公开的美国专利申请US 2004/0257155A1公开了一种对开关电路提供偏置电流的光隔离偏置控制电路，其可以用于控制高功率的基于MOSFET的开关电路的切换。该偏置控制电路包括电串联到第一光电晶体管的集电极的浮接偏置电压源正极端。第一光电晶体管的发射极通过电感串联到并联的N沟道增强型MOSFET的栅极以及第二光电晶体管的集电极。第二光电晶体管的发射极连接到MOSFET的源极以及偏置电压源的负极端。这种偏置控制电路的操作需要分别施加到第一和第二光电晶体管的光敏感基极区的两个互补的“开”和“关”光信号脉冲。仅在施加到第二光电晶体管的高电平有效“关”光信号处于低态时，通过允许在高态下施加高电平有效“开”光信号到第一光电晶体管来获得最小的电荷流动。这防止了偏置电压源通过两个光电晶体管的直接短路，并且减小了控制MOSFET开关电路所需要的电荷的流动。重要的是施加具有最小上升、下降时间的“开”和“关”光信号脉冲以确保尽可能快地驱动MOSFET经过其开关状态。正确选择小的串联到栅极的电感，以通过适当减慢栅极电容充电时间来减小切换损耗。通过使用两个附加的光隔离光电晶体管，施加到MOSFET的栅极到源极电路的偏置电压源的极性被有效地反相，以强制电路关断得与强制其开启地一样快。

这里仍然需要用于响应于包含在控制信号中的第一和第二切换命令而操作具有控制电极和参考电极的半导体功率开关的方法和驱动电路，其实现以非常高的频率精确地钟控快速切换的半导体功率开关。

发明内容