[发明专利]驱动开关栅极的栅极驱动器和用于切换高功率负载的系统

说明书

技术领域

本申请涉及驱动开关栅极的栅极驱动器和用于切换高功率负载的系统。本申请所描述的装置和系统涉及用于对开关的栅极进行驱动的脉冲式栅极驱动器，特别是在高功率应用中的开关。

背景技术

栅极驱动器是用于对高功率应用中所使用的开关进行驱动，例如MOSFET、IGBT和BJT。

从根本上来说，栅极驱动器是功率放大器，其从控制器集成电路接受低功率输入，并且产生用于功率开关的适当高功率栅极驱动。

专利文件US6,326,819B1公开了这样的栅极驱动器，其使用电流缓冲器，该电流缓冲器包括两个开关以分别对从正电源和负电源到IGBT的栅极的电流进行控制。提供一种控制电路以用于控制导通和关断状态之间的切换。

专利文件US6,275,093B1公开了一种IGBT栅极驱动器电路，其包括用于检测被导通的IGBT的集电极-发射极电压增至超过预设电平的模块，从而指示故障状态（例如，短路）。提供一种模拟电路，其适于检测集电极-发射极电压的这种增大，并且通过在两个步骤中关断IGBT来进行响应。首先，将栅极电压降至仍在IGBT阈值（导通）电压以上的电平，以降低流过IGBT的电流。随后，逐渐降低栅极电压直至IGBT被完全关断。

专利文件US5,559,656中公开了类似的电路，其描述了一种栅极驱动器电路，用于在响应短路而执行的切断操作期间，防止切换电压瞬态对IGBT造成损害。公开了一种模拟电路，其被适于在检测到短路状态时，降低IGBT的栅极电压下降的速率。

专利申请公开US2008/0290911A1公开了一种栅极驱动器，其适于为在全通状态和低电流状态之间对功率MOSFET进行切换，而不是在全通和全断状态之间对MOSFET进行切换。一种反馈电路可用于确保在低电流状态下功率MOSFET中的电流大小是合适的。

专利申请公开US2007/0200613A1公开了一种栅极驱动器，其包括：驱动电路，其将驱动信号施加到功率半导体切换器件的栅电极；以及测量单元，其用于测量功率半导体切换器件的流通电流。该驱动电路适于根据流经功率半导体切换器件的电流的检测值来调节栅极电压。

最后，专利申请公开US2008/0012622A1公开了一种用于功率开关的栅极驱动器，其能够通过对开关的栅极电压进行控制来导通和关断该功率开关。特别地，在第一时间段，开关的栅极电压可被驱动至第一电平，以使得该开关闭合。在第二时间段，将开关的栅极电压从电压源断开，但栅极电压仍足以使开关保持闭合。在第三时间段，开关的栅极连接到地，从而将栅极电压拉低并且使得开关断开。栅极驱动器包括：驱动器逻辑，其可以包括脉宽发生器编程器和脉宽发生器。脉宽发生器使得上述第一、第二和第三时间段连续性重复，从而以与脉冲频率成反比的一定时间间隔反复地对开关进行闭合和断开。栅极驱动器可以进一步包括耦合到驱动器逻辑的反馈回路，以调节开关断开或闭合期间的时间段的长度。

文件US5,689,394A描述了针对晶体管故障状态的栅极电压调制。在从栅极驱动器接收到比较信号后，控制器能够向栅极驱动器提供指令信号和对指令信号进行调制的脉宽，以逐渐关断功率器件。在一个实施例中，控制器包括能够发送导通/关断开关信号的逻辑器件（例如，逻辑门阵列），并且指令信号是在“导通”间隔期间发送的。如果功率器件的输出之间的电压在指令信号间隔期间接近饱和水平，则控制器包括脉宽调制器，脉宽调制器能够对发送给栅极驱动器的指令信号进行调制。可以通过针对栅极驱动器电压的导通/关断切换选择适当的脉宽调制来控制电压。

文件DE20 2010 015 965U1公开了用于功率半导体开关的驱动器。该驱动器包括用于对功率半导体开关的开关输入进行耦合的开关输出。此外，该驱动器包括针对逻辑开关信号的逻辑输入和将逻辑开关信号转换为功率信号的转换器。功率信号为具有可预设的占空比的脉宽调制信号，并且该功率信号经由感应率提供给从转换器开始的开关输出。因此，功率信号的占空比是可改变的。通过在切换事件期间改变占空比，可以对分别耦合的功率半导体乃至单个切换事件设置特定的加载/卸载曲线。可选地，转换器可包括存储器，占空比或其各种值可存储在该存储器中。该存储器为可编程的，这样，例如，在驱动器交付给用户之后，任意可调节的或可编程的占空比可以由客户来编程。由此，预设固定的占空比，其可以可选地进行切换。

现有技术中已知的栅极驱动器具有一些限制或缺点。在操作期间，无法对开关的转换速率（有时也称为“导通速度”或“关断速度”）进行自适应改变。这意味着开关的自适应定时是不可能的。