[发明专利]用于晶体管的栅极驱动电路

说明书

技术领域

本公开涉及用于晶体管的栅极驱动电路。

背景技术

在短路故障出现在构成桥电路的上臂晶体管和下臂晶体管中的一个晶体管中的情况下，当上臂晶体管和下臂晶体管中的没有故障的另一个被导通时，短路电流在这些晶体管中流动，导致二次故障。类似的问题也在将连接到负载的输出端子是对电源线的短路的情况下或在作为负载的电机的绕组具有短路故障的情况下产生。

例如，晶体管是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。在这种情况下，当导通命令被应用于栅极驱动电路时，比阈值电压稍微高的栅极电压施加到IGBT的栅极以使IGBT在有源区中工作。可基于当IGBT在有源区中工作时检测到的电流来检测短路故障。当确定没有短路故障时，具有足够的值的栅极电压施加到IGBT的栅极以使IGBT在饱和区中工作。这样的技术例如在对应于US2009/0066402A1的JP2009-071956A中被公开。

在这样的结构中，当栅极电压非常高并超过栅极耐受电压VGES时，IGBT很可能被毁坏或IGBT的寿命很可能缩短。因此在常规栅极驱动电路中，将箝位电路连接到IGBT的栅极以保护IGBT免受栅极电压的跃进增大。箝位电路将栅极电压箝位（限制）到预定的电压。

为了保护IGBT免受由于短路故障等引起的过电流状况，即，为了执行短路保护，必须考虑下面的要点。

当通过减少电流而将IGBT与过电流状况隔绝时，电涌（S）根据短路电流所流经的电流路径的L分量（电感）和短路电流的变化率（di/dt）而出现（即，S=-L x(di/dt)）。当电涌超过IGBT的耐受电压时，存在IGBT被毁坏的可能性。因此，当减少电流而将IGBT与过电流状况隔绝时，必须关断IGBT，使得短路电流不急剧改变，且电涌不超过IGBT的耐受电压。

在异常时间中，例如在上述短路故障状况中，IGBT的集电极电压改变。因此，电荷通过IGBT的集电极和栅极之间的寄生电容（镜像电容）被注入到栅电容。也就是说，镜像电流流动。作为结果，栅极电压升高。由于此，IGBT的导通状态进一步被加深，也就是说，IGBT的导通电阻进一步降低，导致集电极电流（短路电流）的增大。因此，需要用于拉镜像电流穿过箝位电路等的路径。

然而，短路电流的路径根据故障的类型是不同的，以及L分量将根据路径是不同的。因此，短路电流的变化率根据故障的类型是不同的，且确定短路电流是否处于过电流状况所需的时间是不同的。

因此，在上述技术中，下面的缺点将产生。例如，在电流路径的L分量相对大的情况下，即使短路故障出现，它也被确定为正常状况，因为短路电流在一段预定的时间流逝之后不达到过电流。其后，当栅极电压的限制被取消且足够高的栅极电压施加到栅极时，电流达到过电流。在这种情况下，因为没有用于拉镜像电流的路径，栅极电压进一步升高。此外，短路电流增大，且IGBT的关断被延迟。此外，IGBT将被毁坏。

当过电流在栅极电压高的状态中被确定时以及当栅极电压急剧减小以便解决过电流状态时，IGBT的集电极电流被快速限制。在这种情况下，集电极电流以非常高的变化率减小，且高电涌电压产生。为了解决这个问题，考虑在IGBT的导通时段中使箝位电路在所有时间工作。然而在这种情况下，使电流穿过箝位电路流动的时间段非必要地过长，导致消耗电流的增大。

发明内容

本公开的目的是提供栅极驱动电路，该栅极驱动电路能够在晶体管的整个导通时段中执行短路保护，同时减小消耗电流的增大。

根据本公开的第一方面，用于目标晶体管的栅极驱动电路包括驱动电压产生电路、栅极导通驱动电路和栅极电压限制电路。驱动电压产生电路产生驱动电压以驱动目标晶体管。栅极导通驱动电路根据导通命令导通从驱动电压产生电路的输出端子到目标晶体管的栅极端子的电压供应路径，并根据关断命令关断该电压供应路径。栅极电压限制电路在从导通命令被产生的时间到在目标晶体管中流动的电流是否超过故障确定参考值的确定完成的时间的第一时段中，不管施加到目标晶体管的电压如何，将目标晶体管的栅极电压限制为等于或低于第一限制电压。栅极电压限制电路在第一时段之后的第二时段中，不管施加到晶体管的电压如何，将栅极电压限制为等于或低于比第一限制电压高的第二限制电压。第一限制电压被确定为一值，使得在目标晶体管中流动的电流保持等于或低于最大可允许电流。在第二时段中，驱动电压产生电路产生具有第二设定值的驱动电压，第二设定值是基于目标晶体管的栅极耐受电压和当目标晶体管在饱和区中工作时目标晶体管的损耗而确定的。第二限制电压被设定为比驱动电压的第二设定值高预定值的值。