[发明专利]栅极驱动器电路和驱动晶体管的方法

说明书

公开了一种栅极驱动器电路和驱动晶体管的方法。一种栅极驱动器电路包括栅极驱动器和感测电路。栅极驱动器被配置成在多个导通开关事件期间生成导通电流以驱动晶体管，其中晶体管两端的电压在多个导通开关事件期间以斜率从第一值改变为第二值，其中该斜率是取决于导通电流的幅度的主动类型或者被动类型。感测电路确定在第一导通开关事件期间的斜率是主动类型还是被动类型，并且如果斜率是主动类型，则在继第一导通开关事件之后的第二导通开关事件期间调节导通电流的幅度，并且如果斜率是被动类型，则在第二导通开关事件期间将导通电流的幅度保持不变。

技术领域

本公开内容总体上涉及栅极驱动器中的驱动技术，并且尤其涉及调节由栅极驱动器驱动的晶体管的电压变化率。

背景技术

新一代绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)功率开关(超结和宽带隙功率开关)的特征在于栅极-漏极电容(C_GD)，其沿着漏极-源极电压V_DS范围是极其非线性的。特别是在超结技术中，栅极-漏极电容C_GD由于电压而具有较大的变化。该电容是开关速度瞬变的根本。

在硬开关应用中，当V_DS为高时，功率开关导通，或者换言之，当在功率晶体管的开关事件期间(例如，在导通开关事件期间)在高电压V_DS与高电流I_DS之间存在重叠时，发生硬开关。这种重叠引起能量损耗，可以通过增大di/dt和dV/dt(即，电流I_DS的斜率和电压V_DS的斜率)来最小化该损耗。因此，可能存在非常陡峭的被称为dV/dt的V_DS电压瞬变。

在标准平面技术中，存在快速的dV/dt瞬变，但其通过对C_GD的米勒倍增效应而减轻。事实上，用于在导通瞬变期间升高(即，充电)功率晶体管的栅极电压的栅极驱动器输出电流Io+在dV/dt期间完全流入C_GD，并且栅极电压看起来平坦，从而形成“米勒平坦区”。如果dV/dt的速度加倍，则电容C_GD使其表观值加倍，并且系统进行自我调节。

出于这个原因，当使用功率开关器件时，输出开关以非常高的dV/dt(当V_DS电压高时)开始，并且以最后几伏的长而缓慢的尾部(当C_GD变大时)结束。图1在左边示出了功率开关中的dV/dt行为，并且在右边示出了IGBT 1的示意性表示。特别地，图1在左边示出了在导通开关事件期间V_DS(即，dV/dt)和I_DS(即，di/dt)的瞬变图。在导通开关事件期间，V_GS随着C_GD充电而增加。一旦V_GS等于阈值电压Vth，电流I_DS就开始流动。图1在右边还示出了功率晶体管1的示意图，示出了寄生电容C_GD、漏极-源极电压V_DS、漏极-源极电流I_DS、以及栅极-源极电压V_GS。

如左边的图中所示，被称为dV/dt的V_DS电压瞬变最初非常陡峭和快速，然后变化为在最后几伏内以长而缓慢的尾部结束。这种动态行为是晶体管器件的典型特征，尤其是在超结器件中，并且由于一些原因，不想要快速的dV/dt瞬变和缓慢的dV/dt瞬变。

首先，晶体管开关特性反映在电机相位上，使得这些功率器件由于反映在电机相位上的硬应力而不能被电机制造商适当接受。特别地，快速的dV/dt对电机施加应力，尤其是对电机绕组之间的绝缘材料施加应力。因此，快速的dV/dt瞬变可能损害或者甚至损坏电机绕组之间的绝缘材料。

其次，从电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC)的观点来看，陡峭的dV/dt值会在使最终系统合格时产生问题。

第三，低或小的dV/dt值使开关损耗恶化，因为只要dV/dt尾部大于零，损耗就会继续。