[发明专利]自适应多电平栅极驱动器电路和用于切换半桥电路的方法

说明书

公开了用于驱动功率开关的栅极驱动器电路和用于切换包括高侧器件和低侧器件的半桥电路的方法。该栅极驱动器电路包括：栅极驱动器，其具有用于接收输入信号的第一输入端和被耦接至功率开关的输出端，该栅极驱动器提供主栅极电流和辅助栅极电流；和差分电压传感器，其具有用于接收输入信号的第一输入端、被耦接至电源电压的第二输入端、被耦接至功率开关的端子的第三输入端和被耦接至栅极驱动器的第二输入端的输出端。

技术领域

本发明总体上涉及用于自适应多电平栅极驱动器的系统和方法。

背景技术

图1A是绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)102的示意图100，该绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)102包括耦接在栅极与集电极之间的寄生电容C_GC、耦接在栅极与发射极之间的C_GE以及耦接在集电极与发射极之间的C_CE。

图1B是图1A中所示的寄生电容的值相对于集电极-发射极电压的曲线图，其中，C_ISS表示电容器C_M和C_GE的和、C_OSS表示电容器C_M和C_CE的总和，并且C_M表示如现有技术中已知的由于IGBT 102的增益而导致高度非线性的米勒电容器.。对于低集电极-发射极电压，电容器C_ISS、C_OSS和C_M的值相对高，并且在集电极-发射极电压的初始增加期间快速减小，然后在高集电极-发射极电压下渐近地接近最小值。

图2A是现有技术中的功率开关的示意图200，该功率开关包括高侧驱动器206和低侧驱动器204、高侧栅极电阻器RgHS和低侧栅极电阻器RgLS以及高侧功率晶体管T1和低侧功率晶体管T2。图2A中示出了电压V_CE(集电极至发射极电压)、V_G(栅极电压)和V_OUT(来自低侧栅极驱动器的电压)以及与低侧驱动器相关联的电流I_G(栅极电流)和I_C(集电极电流)。

对于指定的栅极电阻器，对图1A中所示的寄生电容进行充电和放电需要相对长的时间。因此，图2A中所示的功率晶体管的传播延迟也相对高。功率晶体管的传播延迟的部分称为“死区时间”，“死区时间”在半桥应用中必须被考虑以避免交叉导通。半桥功率开关的高侧器件和低侧器件的大的传播延迟主要在集电极至发射极电压(“VCE”)或漏极至源极电压(“VDS”)低的情况下关断时出现。如图1B中所示，在这种情况下，米勒电容非常高。长的传播延迟导致大的死区时间，因为导通时的传播延迟很短。这导致效率和精确定时方面的缺点。

用于解决传播延迟的一个解决方案是通过适当选择栅极电阻器RgLS和RgHS。栅极电阻越低，传播延迟越短。然而，栅极电阻也指定开关速度。因此，栅极电阻器Rg的选择受到其他设计约束的限制，例如电磁干扰(“EMI”)限制的dv/dt限制。

图2B是与图2A的功率开关相关联的时序图，示出了针对RgHS和RgLS的给定值的V_OUT、V_G、I_G、V_CE和I_C的波形。图2B中还示出了作为关断电流的I_OFF波形。

图3A是与图2A中的功率开关的低侧的导通阶段相关联的更详细的时序图，并且图3B是与图2A中的功率开关的低侧的关断阶段相关联的更详细的时序图。图3A和图3B中所示的波形包括栅极电压(V_G)、输出电压(V_S)、栅极电流(I_G)、集电极电流(I_C)和能量损耗(E)。沿这些波形的水平时间轴的时间参数包括：t_TH(达到阈值电压的时间)、t₁(米勒平台开始的时间)、t₂(在导通模式下尾开始的时间或在关断模式下结束的时间)和t₃(米勒平台结束的时间)。