[发明专利]数字控制的高速高压栅极驱动器电路

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体技术。具体而言，其涉及例如用于X射线系统的高压发生器技术。具体而言，本发明涉及用于高速开关的开关部件、开关电路和开关电路部件、包括根据本发明的开关部件、开关电路或开关电路部件的X射线装置、用于高速开关的方法、计算机可读介质、程序单元以及处理设备。

背景技术

在当前的例如用于X射线系统的高压发生器中，采用诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS-FET）的开关元件。利用提供至这样的开关元件的输入端的电压源有规律地驱动该开关元件，以控制该开关元件的打开和关闭。例如，施加至IGBT或MOS-FET的栅极的正电压允许打开开关元件，而施加至开关元件的栅极的零电压或负电压则可以导致关闭开关元件。

在打开开关元件的情况下，随后的高压或高功率可以同样地被打开，并由开关元件的输出端口被提供给消耗者，例如，用于为X射线系统的X射线管生成高压或高功率的X射线发生器。在关闭开关元件的情况下，所述高压或高功率就被关闭，因此不会提供给消耗者。随后的打开和关闭可以允许调制并因此控制提供给消耗者的电压或功率。

为了进一步提高可开关的高压或高功率，也可以并行采用多个开关元件。

电压源的开关电压被提供至开关元件的输入端。然而，可以在开关元件的输入端和用于半导体的实际栅极的内部输入端口之间提供寄生元件或诸如专用电阻性或电容性元件的另外的电路元件。然而，所述寄生元件或电路元件可能会导致开关元件的输入端和内部输入端口（例如栅极）之间的电压降，从而导致在开关元件的内部输入端口处，因而在专用电路元件或寄生元件之后，施加到输入端上的电压源的全部施加电压不都是可用的。至少施加到输入端上的全部电压由于寄生元件或电路元件的原因只能在一定的时间延迟之后到达内部输入端口。

所述电压降或时间延迟导致开关元件的开关速度受到限制。具体而言，诸如寄生电感或寄生电容的寄生元件影响施加到输入端上，随后到达开关元件的内部输入端口的电压的转换速率。

发明内容

因此，通过降低布置在开关元件的内部输入端口处的，具体而言布置在输入端和内部输入端口之间的寄生元件或另外的电路元件的影响而提高开关元件的开关速度是有利的。

尤其可以通过独立权利要求的主题提供所述益处。可以从从属权利要求获得另外的优选实施例。

由于诸如寄生电感的寄生元件根据施加电压影响转换速率，因而可以通过提高施加电压而提高转换速率。

因此，本发明尤其提出了通过栅极驱动器或栅极放大器的输出端，尤其是数字控制的栅极驱动器的输出端，向开关元件的输入端提供电压源的电压，所述电压高于针对开关元件的各个内部输入端口或内部栅极端口的实际允许电压。换言之，将高于例如在IGBT或MOS-FET情况下的最大允许栅极电压的电压用于驱动栅极。

例如，可以考虑用于驱动IGBT的栅极的一个普遍值是±15V。为了提高转换速率，并因此提高开关元件的开关速度，电压源可以向开关元件的输入端提供高于15V的电压，例如，栅极电压的2×、3×、4×或更高，例如±50V。

当使用相应较高电压作为栅极驱动电压时，通过栅极电路中的内部栅极电阻器和寄生元件的驱动栅极电流可以显著提高，从而导致开关元件的例如栅极电容器的充电和放电的增大。充电和放电电路电容的相应增大可以导致开关元件的开关速度提高。

然而，这样的施加至开关元件的输入端的“过电压”可能随后导致开关元件的内部栅极端口也接收过电压，并因此也接收高于内部栅极端口处所允许的电压，例如，就关于具体开关元件的技术规格方面而言。换言之，在采用例如±50V作为来自输入电压源并提供给开关元件的（即在寄生元件和电路元件之前的）输入端的开关电压的情况下，可能需要确保施加至开关元件的（即在寄生元件和电路元件之后的）内部栅极端口的电压不可以超过例如±15V的最大允许栅极电压。

因此，可以例如利用开关元件裸片（die）上的另外的抽头端口确定在内部输入端口或内部栅极端口处的，并因此直接越过芯片处的内部栅极电阻器的当前出现的电压。可以采用所述抽头端口确定在开关元件的裸片上的内部栅极端口处的，并因此处于例如IGBT或MOS-FET的栅极处的当前出现的电压。例如，在开关元件的内部栅极端口处的当前电压基本上等于或者将要超过最大允许栅极电压的情况下，可以关闭采用比最大允许栅极电压或过电压高的电压的电压源，从而阻碍内部栅极端口处的当前输入电压的进一步升高，并实现保存IGBT或MOS-FET的栅极在其指定电压值内的操作。