反饋控制電路制造技術

本發明專利技術涉及一種反饋控制電路，具體涉及一種適于控制功率半導體部件的柵極驅動電路。所述柵極驅動電路包括可連接到正輔助電壓(V+)和負輔助電壓(V?)的柵極驅動器，所述柵極驅動電路包括具有電感耦合元件的反饋電路用于提供反饋信號，其中具有電感耦合元件的反饋電路的一端連接到已知的參考電位，并且反饋電路的另一端連接到柵極驅動器，并且電感耦合元件感應耦合到功率半導體部件的主電流路徑，用于基于功率半導體部件的電流的變化率向柵極驅動器提供反饋信號，從而限制功率半導體部件的電流的變化率。

Feedback control circuit

The invention relates to a feedback control circuit, in particular to a gate drive circuit for controlling a power semiconductor component. The gate driving circuit includes an auxiliary voltage can be connected to the positive and negative auxiliary voltage (V+) (V) gate driver, the gate driving circuit includes providing a feedback signal feedback circuit with inductance coupling element, which is inductively coupled components of the feedback circuit is connected to the reference potential known, and feedback the other end of the circuit is connected to the gate driver and the main current path of inductive coupling element inductively coupled to the power semiconductor components, for the change of current power semiconductor components based on the rate provided feedback signal to the gate driver, thereby limiting the current change rate of the power semiconductor components.

【技術實現步驟摘要】
反饋控制電路
本專利技術涉及功率半導體部件的控制，更具體地涉及在功率半導體部件的開關期間限制開關瞬變(switchingtransient)。
技術介紹
功率晶體管，例如IGBT和MOSFET，通常在功率電子器件中用作開關部件。由于功率晶體管用作開關，它們應當能夠將其狀態從阻斷狀態快速改變到完全導通狀態，反之亦然，以最小化開關期間的功率損耗。盡管快速切換高電流的能力是開關部件的期望特性，但是快速地增加和減小電流和電壓可能引起某些問題，特別是與電感負載(其中電流被從一個部件強制到另一部件)相關地快速增加和減小電流和電壓時。已知的問題可以結合半橋配置來解釋，在所述半橋配置中分別具有反并聯續流二極管的兩個開關部件在具有DC鏈路電壓的DC鏈路之間串聯連接。考慮電流流過開關部件的下部并且期望將DC鏈路的正電壓連接到負載的情況。承載電流的開關部件通過施加合適的柵極電壓而關斷，并且部件兩端的電壓增加，同時電流仍然流過部件。一旦下部部件上的電壓可以正向偏置上部續流二極管，下部開關部件的電流迅速減小。由于開關晶體管電流斜率為負，在換向路徑的電感中感應的電壓增加了開關部件上的電壓。開關部件上的最大電壓是DC鏈路電壓UDC和在換向路徑雜散電感Lstray中感應的電壓uind之和。在等式(1)中，在關斷期間晶體管的符號di/dt為負，因此感應電壓尖峰uind的極性為正。在過載或短路情況下關斷晶體管時，限制負di/dt尤其重要。此外，在開關部件導通期間的正電流斜率影響半橋配置中的互補續流二極管的反向恢復電流的大小。反向恢復電流可以由等式(2)表示，其中Qrr是存儲在二極管中的電荷。因此，電流變化率以上述方式直接影響反向恢復電流的大小和電壓過沖。為了在安全操作區域中安全地操作部件并且為了使損耗最小化，期望限制開關部件電流的變化率。為了控制晶體管di/dt，必須以某種方式獲得反饋信號。一種獲得di/dt反饋信號的方法利用與晶體管串聯的小電感。功率模塊的輔助發射極和功率發射極之間的寄生電感可以用于該目的，如US8710876B2中所公開的。電感上的電壓與電流時間導數成比例，因此不需要額外的微分電路來產生所需的信號。使用功率模塊寄生電感作為di/dt傳感元件有一些困難。自然地，需要輔助發射器連接以能夠使用該方法。寄生電感的實際值取決于電源模塊的內部布局。因此，電感可以在具有不同電流額定值的模塊或不同制造商之間變化，并且每個模塊類型必須單獨表征。通常，寄生電感在半橋模塊中的上支路和下支路中也具有不同的值。一個問題是感測寄生電感上的電壓需要與主電路的電流連接。這防止了自由選擇控制信號參考電壓。也不可能增加靈敏度，即寄生電感的值。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種柵極驅動電路以解決上述問題。本專利技術的目的通過柵極驅動電路來實現，該柵極驅動電路的特征在于獨立權利要求中所述的。本專利技術的優選實施例在從屬權利要求中公開。本專利技術基于使用感應耦合(inductivecoupling)來提供來自功率半導體部件的主電流路徑的反饋的想法。具有感應耦合的反饋電路連接到已知的參考電位，并且反饋電路根據電流的變化率向柵極驅動器提供電壓。由于反饋電路不與主電路電流連接，因此可以自由選擇電感耦合元件的參考電位。參考電位的選擇有助于設計簡單的反饋結構。此外，可以通過調節電感耦合元件中的匝數來調節來自電流變化率的反饋的靈敏度。電感耦合元件是線圈，并且優選地是羅柯夫斯基線圈或耦合電感器。利用本專利技術，可以通過基于獲得的反饋修改切換期間的柵極電壓來控制諸如IGBT和MOSFET的功率晶體管的切換行為。附圖說明在下文中，將參照附圖通過優選實施例更詳細地描述本專利技術，其中：圖1示出了本專利技術的電路的基本原理；圖2，圖3，圖4和圖5示出了本專利技術的不同實施例；以及圖6示出了利用本專利技術的實施例所獲得的測量結果。具體實施方式圖1示出了本專利技術的柵極驅動電路的基本結構。該電路包括可連接到正輔助電壓V+和負輔助電壓V-的柵極驅動器A1。柵極驅動器接收用于控制功率半導體部件V1的控制信號Vc。本專利技術的柵極驅動電路包括包含電感耦合元件T1的反饋電路。反饋電路的一端連接到已知的參考電位VREF，反饋電路的另一端連接到柵極驅動器A1。根據本專利技術，電感耦合元件T1感應耦合到功率半導體部件的主電流路徑。執行感應耦合以向柵極驅動器提供反饋信號，并且反饋信號的值基于功率半導體部件的電流的變化率。在圖1的電路中，輸入到柵極驅動器A1的控制信號Vc提供開關部件V1的開(ON)/關(OFF)控制。柵極驅動器放大所接收的控制信號并且用于提供對半導體部件的可靠控制。輸入的控制信號被放大，使得柵極驅動器的輸出可以獲得在正和負輔助電壓之間的值。正和負輔助電壓參考作為開關部件的發射極電位的電位COM。因此，在圖1的示例中，柵極驅動器能夠向受控開關部件的柵極產生雙極控制電壓。在圖1的示例中，將控制信號Vc與反饋電壓VFB進行比較。電路的操作成當控制信號Vc為高時，柵極驅動器控制到受控部件的柵極的正輔助電壓。如果在開關部件的接通期間，通過開關部件的電流快速增加，則反饋電路向柵極驅動器提供正反饋電壓。在所獲得的反饋電壓高于某一極限的情況下，柵極驅動器降低其輸出電壓，使得部件的柵極電壓降低。降低的柵極電壓限制了通過部件的電流的變化率。一旦電流的變化率受到限制，反饋電壓減小，并且柵極驅動器可以向受控部件的柵極提供完全導通電壓。在關斷過程中的操作類似。如果電流的減小速率高于某一極限，則由柵極驅動器接收的反饋電壓為負。負反饋電壓操作以增加柵極電壓，從而限制通過部件的關斷電流的減小速率。因此，在本專利技術中，從電流變化率di/dt獲得反饋。感應到電感耦合元件(例如羅柯夫斯基線圈或耦合電感器)的電壓與通過部件的電流的導數成線性比例。因此，利用電感部件的線圈匝數以及參考電位VREF的選擇，可以選擇最大可允許電流變化率，使得當超過最大可允許變化率時，通過可操作地連接到柵極驅動電路的柵極驅動器的電路來限制變化率。圖2示出了本專利技術的實施例，其中控制信號用來自電感反饋元件的反饋進行修改。在圖2中，控制信號Vc被接收到推挽晶體管對V12、V13的柵極。推挽晶體管對以已知的方式用作控制信號的柵極驅動器的放大器。推挽晶體管對的輸出端通過柵極電阻器R11連接到受控半導體部件V11的柵極。在圖2的電路中，來自電流變化率的反饋被引導到推挽晶體管對的基極端子。更具體地，電路包括與電感耦合元件串聯的雙極齊納二極管V14和與雙極齊納二極管串聯的第一電阻器R13。該反饋電路連接到形成推挽晶體管對的晶體管V12、V13的基極。該實施例還包括連接在控制信號輸入端和晶體管V12、V13的基極之間的第二電阻器R12。開關部件V11以正電壓導通，并且諸如羅柯夫斯基線圈T11等電感反饋部件以這樣的方向纏繞：開關部件V11的正di/dt引起負電壓。雙極二極管V14的齊納電壓被選擇為最大允許di/dt處的控制電壓Vc和線圈電壓之和。在這種情況下，如果di/dt超過最大允許值，則齊納二極管V14開始導通，從而根據電阻器R12和R13之間的分壓降低晶體管V12和V13的基極電壓。因此，在開關部件導通期間，并且當電流的變化率超過特定值時，形成從控制電壓Vc經過第一和第二電阻器R12、R13和齊納本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適于控制功率半導體部件的柵極驅動電路，所述柵極驅動電路包括能夠連接到正輔助電壓(V+)和負輔助電壓(V?)的柵極驅動器，所述柵極驅動電路包括具有電感耦合元件的、用于提供反饋信號的反饋電路，其中：具有所述電感耦合元件的所述反饋電路的一端連接到已知的參考電位，并且所述反饋電路的另一端連接到所述柵極驅動器，以及所述電感耦合元件感應耦合到所述功率半導體部件的主電流路徑，以基于所述功率半導體部件的電流的變化率向所述柵極驅動器提供反饋信號，從而限制所述功率半導體部件的電流的變化率。

【技術特征摘要】
2015.11.27 EP 15196750.21.一種適于控制功率半導體部件的柵極驅動電路，所述柵極驅動電路包括能夠連接到正輔助電壓(V+)和負輔助電壓(V-)的柵極驅動器，所述柵極驅動電路包括具有電感耦合元件的、用于提供反饋信號的反饋電路，其中：具有所述電感耦合元件的所述反饋電路的一端連接到已知的參考電位，并且所述反饋電路的另一端連接到所述柵極驅動器，以及所述電感耦合元件感應耦合到所述功率半導體部件的主電流路徑，以基于所述功率半導體部件的電流的變化率向所述柵極驅動器提供反饋信號，從而限制所述功率半導體部件的電流的變化率。2.根據權利要求1所述的柵極驅動電路，其中，所述柵極驅動器包括形成推挽電路的晶體管對，所述晶體管對的輸出端連接到所述功率半導體部件的柵極，并且所述晶體管對的輸入端適于接收控制電壓(Vc)，從而控制所述功率半導體部件，并且所述反饋信號被配置為根據所述功率半導體部件的電流的變化率來改變所述推挽電路的輸入端的電位。3.根據權利要求2所述的柵極驅動電路，其中，所述反饋電路包括具有齊納電壓的雙極齊納二極管和第一電阻器(R13)，所述第一電阻器還連接到所述推挽晶體管電路的基極，并且所述柵極驅動電路還包括控制電壓...

【專利技術屬性】
技術研發人員：米科·薩里南，馬庫斯·奧伊諾寧，
申請(專利權)人：ABB技術有限公司，
類型：發明
國別省市：芬蘭,FI