[发明专利]半导体开关装置驱动设备

说明书

本申请是2012年03月23日提交的、题目为“负载驱动设备和半导体开关装置驱动设备”和申请号为201210080800.X的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及一种负载驱动设备，所述负载驱动设备包括用于控制负载电流供应的开关装置。本公开还涉及一种半导体开关装置驱动设备。

背景技术

已经提供了一种利用开关装置驱动负载的负载驱动设备，所述开关装置例如是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)。在导通IGBT时，如果在通往与IGBT耦合的负载的电源的线路上某处发生短路，负载驱动设备产生过电流，由于IGBT的温度突然升高，IGBT被击穿。因此，检测短路是非常重要的。

在负载驱动设备中，减小IGBT尺寸以降低IGBT成本，在结构上减少了IGBT装置的短路容量。在发生短路故障时，可能向IGBT连续施加过电流，可能由于温度突然升高导致IGBT击穿。短路容量表示从开始施加过电流到击穿的时间(或能量)。在短路容量低时，击穿所用的时间缩短。在检测到短路之后保护装置的配置中，从检测到短路到保护装置可能花费时间，由于低短路容量可能对装置的保护不充分。

为了解决上述问题，在IGBT导通时将IGBT栅极电压箝位到箝位电压。因此，限制了由于短路处产生大电流使IGBT击穿。由于IGBT镜像(mirror)效应，箝位电压需要比栅极电压(下文称为镜像电压)更高，因此设计IGBT必须考虑到镜像电压中的最大变化。图23A是示出了正常运行中的IGBT操作的时序图。图23B是示出了短路运行时IGBT操作的时序图。如图23A中所示，镜像电压例如随着IGBT环境而发生很大变化。将箝位电压设置成比最大镜像电压更大的电压。如果短路检测电路执行短路判断并检测到正常结果，则释放箝位并启用完全导通状态。如图23B所示，在短路检测电路进行短路判断并检测到短路时，维持箝位并在预定时间段之后执行软断开。因此，可以限制由于短路而流动的大电流。

公开了各种通过改变栅极电压来驱动IGBT的方法。例如，JP-A-2009-71956(对应于US 2009/0066402A1)描述了一种改变栅极电压的两级电压驱动系统。JP-A-2009-11049(对应于US 2009/0002054A1)描述了一种改变恒流驱动电路和电压驱动电路的恒流转换系统。

不过，因为考虑到镜像电压中的最大变化值设计箝位电压，所以必须将箝位电压设置成大值。对于短路容量而言这是不利的，因为在短路期间有电流流动。

JP-A-2008-29059提出了一种驱动IGBT的驱动电路。具体而言，JP-A-2008-29059中提出的驱动电路包括IGBT，IGBT的控制端子(栅极)与用于供应第一电流的第一驱动电路、用于供应第二电流的第二驱动电路以及用于检测控制端子处电压值的电压电动机耦合。

根据该驱动电路，如果控制端子的电压低于阈值电压，则仅有第一驱动电路向IGBT控制端子供应第一电流。如果控制端子的电压达到阈值电压，除第一电流之外还向控制端子供应第二电流。在激活IGBT时，驱动电路减小集电极和发射极之间电流的变化并且缩短控制端子处电压恒定的镜像区域的时间段。

JP-A-2008-29059还提出了一种配置，其中在同一半导体模块中设置温度监测器和外围电路部件。通过监测温度，可以限制高温下使用中的开关损耗。

不过，在上述常规技术中，IGBT中的温度变化改变浪涌电压，即使在温度监测器检测温度时，在开关操作期间也可能发生浪涌电压。在温度变化时，可能发生过电压并且可能破坏IGBT。

一般公知的是，增大施加到IGBT控制端子的驱动电流增大控制端子电压的导通转换速率并且提高开关速度。JP-A-2001-169407(对应于US2007/0002782)披露，在IGBT温度和可允许浪涌击穿电压之间的关系中，较低温度区域表示比较高温度范围更小的可允许浪涌击穿电压。

可以预先确定小的驱动电流，以便提供小的导通转换速率，以防止IGBT温度变化时有浪涌电压。不过，减小施加到控制端子的驱动电流降低了开关速度并增大了开关损耗。

已经描述了驱动作为半导体开关装置的IGBT的驱动电路。显然地，IGBT是装置的范例。在其它半导体开关装置中也可能发生上述问题。

发明内容