[发明专利]反馈控制电路

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体部件的控制，更具体地涉及在功率半导体部件的开关期间限制开关瞬变(switching transient)。

背景技术

功率晶体管，例如IGBT和MOSFET，通常在功率电子器件中用作开关部件。由于功率晶体管用作开关，它们应当能够将其状态从阻断状态快速改变到完全导通状态，反之亦然，以最小化开关期间的功率损耗。

尽管快速切换高电流的能力是开关部件的期望特性，但是快速地增加和减小电流和电压可能引起某些问题，特别是与电感负载(其中电流被从一个部件强制到另一部件)相关地快速增加和减小电流和电压时。

已知的问题可以结合半桥配置来解释，在所述半桥配置中分别具有反并联续流二极管的两个开关部件在具有DC链路电压的DC链路之间串联连接。考虑电流流过开关部件的下部并且期望将DC链路的正电压连接到负载的情况。承载电流的开关部件通过施加合适的栅极电压而关断，并且部件两端的电压增加，同时电流仍然流过部件。一旦下部部件上的电压可以正向偏置上部续流二极管，下部开关部件的电流迅速减小。由于开关晶体管电流斜率为负，在换向路径的电感中感应的电压增加了开关部件上的电压。开关部件上的最大电压是DC链路电压U_DC和在换向路径杂散电感L_stray中感应的电压u_ind之和。

在等式(1)中，在关断期间晶体管的符号di/dt为负，因此感应电压尖峰u_ind的极性为正。在过载或短路情况下关断晶体管时，限制负di/dt尤其重要。

此外，在开关部件导通期间的正电流斜率影响半桥配置中的互补续流二极管的反向恢复电流的大小。

反向恢复电流可以由等式(2)表示，其中Q_rr是存储在二极管中的电荷。

因此，电流变化率以上述方式直接影响反向恢复电流的大小和电压过冲。为了在安全操作区域中安全地操作部件并且为了使损耗最小化，期望限制开关部件电流的变化率。

为了控制晶体管di/dt，必须以某种方式获得反馈信号。一种获得di/dt反馈信号的方法利用与晶体管串联的小电感。功率模块的辅助发射极和功率发射极之间的寄生电感可以用于该目的，如US 8710876B2中所公开的。电感上的电压与电流时间导数成比例，因此不需要额外的微分电路来产生所需的信号。

使用功率模块寄生电感作为di/dt传感元件有一些困难。自然地，需要辅助发射器连接以能够使用该方法。寄生电感的实际值取决于电源模块的内部布局。因此，电感可以在具有不同电流额定值的模块或不同制造商之间变化，并且每个模块类型必须单独表征。通常，寄生电感在半桥模块中的上支路和下支路中也具有不同的值。一个问题是感测寄生电感上的电压需要与主电路的电流连接。这防止了自由选择控制信号参考电压。也不可能增加灵敏度，即寄生电感的值。

发明内容

本发明的目的是提供一种栅极驱动电路以解决上述问题。本发明的目的通过栅极驱动电路来实现，该栅极驱动电路的特征在于独立权利要求中所述的。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。

本发明基于使用感应耦合(inductive coupling)来提供来自功率半导体部件的主电流路径的反馈的想法。具有感应耦合的反馈电路连接到已知的参考电位，并且反馈电路根据电流的变化率向栅极驱动器提供电压。

由于反馈电路不与主电路电流连接，因此可以自由选择电感耦合元件的参考电位。参考电位的选择有助于设计简单的反馈结构。此外，可以通过调节电感耦合元件中的匝数来调节来自电流变化率的反馈的灵敏度。电感耦合元件是线圈，并且优选地是罗柯夫斯基线圈或耦合电感器。

利用本发明，可以通过基于获得的反馈修改切换期间的栅极电压来控制诸如IGBT和MOSFET的功率晶体管的切换行为。

附图说明

在下文中，将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中：

图1示出了本发明的电路的基本原理；

图2，图3，图4和图5示出了本发明的不同实施例；以及

图6示出了利用本发明的实施例所获得的测量结果。

具体实施方式

图1示出了本发明的栅极驱动电路的基本结构。该电路包括可连接到正辅助电压V+和负辅助电压V-的栅极驱动器A1。栅极驱动器接收用于控制功率半导体部件V1的控制信号Vc。本发明的栅极驱动电路包括包含电感耦合元件T1的反馈电路。