电阻器仿真和栅极升压制造技术

用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载的功率开关驱动器，该功率开关驱动器具有负反馈电路以控制输送到控制端子的电流，负反馈电路包括：‑电流输出电路，包括电流源和电流吸收器中的至少一个，该电流输出电路用于提供所述控制端子的所述电流并且被配置为接收输出电流控制信号以控制由电流输出电路提供的电流的幅度；‑端子电压输入电路，用于从所述控制端子接收电压并且输出所述电压的指示；‑放大器，耦合成放大端子电压指示以生成放大器输出；以及‑参考电压输入电路，用于接收参考电压，包括至少一个电阻器，该参考电压输入电路耦合到放大器的电荷供给输入端，其中‑功率开关驱动器被配置为生成依赖于放大器输出的输出电流控制信号，以及‑功率开关驱动器被配置为响应于由端子电压输入电路接收的电压的增大而减小由电流输出电路提供的电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电阻器仿真和栅极升压
本专利技术一般涉及功率转换器、用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载的功率开关驱动器、包括这种功率开关驱动器的功率转换器以及用于控制到功率开关的控制端子的驱动信号以驱动负载的方法。
技术介绍
诸如AC至DC转换器或DC至AC逆变器的功率转换器一般包括并联和/或串联连接的功率开关器件(诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT))的网络。这种转换器可以用于从低电压芯片到计算机、机车和高电压传输线路的应用。转换器可以用于例如可以例如从海上风力装置运载电力的类型的高电压dc传输线路中的开关以及用于对于马达等(例如机车马达)的中等电压(例如，大于1kV)开关。以下描述一般涉及驱动一个或多个功率开关，功率开关进而被配置为用于驱动功率转换器的负载。作为(一个或多个)功率开关，IGBT例如用来通过施加低电平电压或电流来控制大电流，一些IGBT的额定值为例如1200V或1700V，和/或1200A。但是，本文所描述的原理和实施例一般可应用于(一个或多个)功率开关代替地是MOSFET(诸如碳化硅MOSFET(垂直或横向))、HEMT(高电子迁移率晶体管)、JFET(结晶型场效应晶体管)或其它类型的情况。因此，一般可以参考任何这种器件来替代对IGBT或功率开关的任何提及。此外，我们将描述的技术不限于任何特定类型的器件结构，因此功率开关器件可以是例如垂直或横向器件；它们可以在一系列技术中制造，一系列技术包括但不限于硅、碳化硅或氮化镓。不过，我们关心的功率半导体开关器件通常具有大于1A的电流承载能力，并且可以以大于100V的电压操作，例如，能够承载大于10A、50A或100A的电流和/或能够承受大于500V或1kV的器件两端的电压差的器件。典型的IGBT栅极驱动包括图1中所示的元件。栅极驱动逻辑包括参考3V3或5V电源的数字逻辑电路，该数字逻辑电路接收指示何时将功率开关(例如，IGBT)接通和关断的传入信号(PWM)。栅极驱动逻辑创建分别指示何时向功率开关提供电流以及何时从功率开关移除电流的信号(SOURCE和SINK)。通常需要电平变换(translation)级以在较宽的电压范围(例如，-10V至+15V)上驱动功率开关。用于驱动IGBT的输出级包括晶体管P沟道MOSFET和N沟道MOSFET(标记为PMOS和NMOS)或双极型PNP晶体管和双极型NPN晶体管，具有被选择为匹配功率开关和/或负载的特性的接通电阻器(Ron)和关断电阻器(Roff)。输出级晶体管能够处理高电流，以及因为数字逻辑和电平变换不能提供足够的电流来直接接通和关断输出级晶体管所以输出级晶体管通常需要驱动级。IGBT可以设置在优选地包括该IGBT器件和反向并联的换向二极管(即，续流二极管)的模块中。IGBT模块制造商一般公布用于最小损耗的优选的栅极电阻值。在IGBT接通的情况下，在IGBT开关损耗和二极管反向恢复损耗之间存在折衷。一般期望任何减少总体损耗的尝试都确保二极管停留在其安全操作区域(SOA)内，这可以通过优选地不被交叉的最大功率耗散线表示在电压对电流的曲线图上。例如，如果转换器输出电路的开关速度太快，则二极管可能会损坏。IGBT制造商一般在假设电压源驱动具有电阻(电阻性驱动)的情况下针对最小的总体损耗优化其产品。由于这个原因，期望任何驱动电路(驱动器)都是优选地具有在IGBT制造商的指定范围内的输出(栅极驱动)电阻的电阻性驱动。为了减少导通损耗，期望当器件导通时功率开关控制端子(例如IGBT栅极)被保持在最高可能电压。器件数据表通常规定15V为正常操作点，绝对最大值在20V。另一方面，通常预期碳化硅(SiC)MOSFET在18至20V操作，具有更高的绝对最大值。为了制作通用栅极驱动，期望能够配置栅极电压。大部分功率半导体具有短路耐受能力。这是期间器件可以承受过大的电流而不发生故障的时间(通常是10μs)。期望栅极驱动可以检测这种情况并且在这个时间内安全地关断IGBT。通常以特定的栅极电压指定该时间。为了实现10μs的短路额定值，IGBT制造商常常权衡导通损耗或硅片面积。换言之，如果放松了10μs的要求，则可以实现更高性能的器件。为了给器件制造商用来创建在异常条件下仍然能够被保护的更高性能的器件的机会，期望改进的测量和控制电路。因此，期望控制功率开关控制端子上的电压电平的改进方法，例如提供诸如尤其是降低的成本、可靠性、低电路复杂性、低组件数和/或较低功耗等优点。为了用于理解本专利技术，参考以下公开内容：-DE102006034351A1；以及-“AdvantagesofAdvancedActiveClamping”，PowerElectronicsEurope，2009年第8期，第27至29页。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供有用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载的功率开关驱动，该功率开关驱动具有负反馈电路以控制输送到控制端子的电流，该负反馈电路包括：电流输出电路，包括电流源和电流吸收器中的至少一个，该电流输出电路用于提供所述控制端子的所述电流并且被配置为接收输出电流控制信号以控制由电流输出电路提供的电流；端子电压输入电路，用于从所述控制端子接收电压并且输出所述电压的指示；放大器，耦合成放大端子电压指示以生成放大器输出；以及参考电压输入电路，用于接收参考电压，该参考电压输入电路包括至少一个电阻器，该参考电压输入电路耦合到放大器的电荷供给输入端，其中功率开关驱动器被配置为生成依赖于放大器输出输出的电流控制信号，并且其中功率开关驱动器被配置为响应于由端子电压输入电路接收的电压的增大而减小由电流输出电路提供的电流。在实施例中，这种功率开关驱动器可以呈现受控的输出阻抗以驱动功率开关。有利地，这种受控的输出阻抗可以被认为是所仿真的电阻。在实施例中，至少一个电阻器可以确定功率开关驱动器的这种所仿真的电阻。具体而言，在实施例中，参考电压和至少一个(固定的、可变的和/或可编程的)电阻器(一个或多个)可以确定要设置的到放大器的电源或参考电流(Iref)。参考电流可以例如由固定参考电压确定，例如0V或3V3。优选地(即，可选地)，参考电压输入电路的阻抗基本上(例如，确切地)是纯电阻性的。然后，电阻性阻抗可以由功率开关驱动器仿真，以有效地向功率开关控制端子提供电阻性输出阻抗。因此，功率开关驱动器的输出阻抗可以不由输出组件(例如，如图1的布置中所示的诸如Ron或Roff的固定电阻器)确定，而是可以至少部分地由驱动器的输入级上的(一个或多个)组件(诸如(一个或多个)电阻器)确定。实际上，这种固定的输出电阻器可能不是必须的。有利地，因此可以减少功率耗散和/或因此可以减轻例如与板布局和/或组件的数量或选择相关的热约束。参考电压输入电路的(一个或多个)组件可以通过数字或模拟装置来编程和/或控制，以提供可变参考阻抗。例如，在实施例中，至少一个电阻器可以包括数字电阻器和/或可控电阻器网络。因此，实施例可以适于驱动宽范围的功率开关，优选地具有宽范围(一般为电感性)负载，有利地不需要根据功率开关模块和/或负载特性来改变栅极驱动电阻器以及/或者要求运营商为不同的功率开关和/或负载而库存不同的功率开关驱动器。另外，关于仿真，由电流输出电路输送的电流优选地与由端子电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率开关驱动器，用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载，所述功率开关驱动器具有负反馈电路以控制输送到所述控制端子的电流，所述负反馈电路包括：‑电流输出电路，包括电流源和电流吸收器中的至少一个，所述电流输出电路用于提供所述控制端子的所述电流并且被配置为接收输出电流控制信号以控制由所述电流输出电路提供的电流的幅度；‑端子电压输入电路，用于从所述控制端子接收电压并且输出所述电压的指示；‑放大器，耦合成放大所述端子电压指示以生成放大器输出；以及‑参考电压输入电路，用于接收参考电压，所述参考电压输入电路包括至少一个电阻器，所述参考电压输入电路耦合到所述放大器的电荷供给输入端，其中‑所述功率开关驱动器被配置为生成依赖于所述放大器输出的所述输出电流控制信号，以及‑所述功率开关驱动器被配置为响应于由所述端子电压输入电路接收的电压的增大而减小由所述电流输出电路提供的电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.11 GB 1420037.2;2014.11.11 GB 1420038.01.一种功率开关驱动器，用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载，所述功率开关驱动器具有负反馈电路以控制输送到所述控制端子的电流，所述负反馈电路包括：-电流输出电路，包括电流源和电流吸收器中的至少一个，所述电流输出电路用于提供所述控制端子的所述电流并且被配置为接收输出电流控制信号以控制由所述电流输出电路提供的电流的幅度；-端子电压输入电路，用于从所述控制端子接收电压并且输出所述电压的指示；-放大器，耦合成放大所述端子电压指示以生成放大器输出；以及-参考电压输入电路，用于接收参考电压，所述参考电压输入电路包括至少一个电阻器，所述参考电压输入电路耦合到所述放大器的电荷供给输入端，其中-所述功率开关驱动器被配置为生成依赖于所述放大器输出的所述输出电流控制信号，以及-所述功率开关驱动器被配置为响应于由所述端子电压输入电路接收的电压的增大而减小由所述电流输出电路提供的电流。2.根据前述权利要求所述的功率开关驱动器，其中所述电流输出电路被配置为仿真所述参考电压输入电路。3.根据任一前述权利要求所述的功率开关驱动器，其中所述至少一个电阻器包括可控电阻器。4.根据任一前述权利要求所述的功率开关驱动器，其中所述端子电压输入电路具有到所述参考电压输入电路的耦合，以有效地增大呈现给所述控制端子的所述阻抗。5.根据任一前述权利要求所述的功率开关驱动器，其中功率开关驱动器具有偏移电压输入电路，所述偏移电压输入电路具有输入线以接收偏移电压并且包括比较器以将所述端子电压输入电路的所述电压的指示与所述偏移电压进行比较，当所述功率开关驱动器被操作以驱动所述功率开关时，所述偏移电压输入电路允许来自所述功率开关控制端子的所述电压的变化极限由所述偏移电压设置。6.根据任一前述权利要求所述的功率开关驱动器，包括耦合开关，以禁用所述放大器的控制对所述端子电压输入电路的所述电压的依赖性，优选地，其中驱动器包括用于监测通过所述负载的电流的电流检测器并且被配置为当所述电流检测器指示所监测的电流低于阈值电流时禁用所述依赖性，当所述依赖性被禁用时，所述功率开关驱动器提供所述电流输出电路的基本恒定的所述电流。7.一种功率转换器，包括前述权利要求所述的功率开关驱动器，所述功率转换器包括至少一个半桥电路，所述半桥电路包括第一功率开关和第二功率开关的串联连接，所述第一功率开关和所述第二功率开关被配置为交替地传递电流用于驱动耦合到所述半桥电路的输出线的所述负载，每个所述功率开关与二极管并联耦合，其中所述功率转换器包括至少一个所述功率开关驱动器以驱动相应的所述功率开关，其中所述功率开关驱动器的所述至少一个电阻器包括可控电阻器，所述功率转换器包括：-接通检测器，用于至少指示增大通过所述功率开关中的至少一个功率开关的电流的接通时段的开始，其中-所述功率转换器被配置为基于所述接通检测器指示来控制至少一个所述功率开关驱动器的耦合开关，以允许在所述接通时段期间所述驱动器的所述放大器的控制对所述驱动器的所述端子电压输入电路的所述电压的所述依赖性。8.根据前述权利要求所述的功率转换器，其中所述接通检测器被配置为检测通过至少一个功率开关的电流的变化率的增大以及随后的变化率的减小以指示所述接通时段的未决。9.根据权利要求7或8所述的功率转换器，被配置为控制至少一个所述功率开关驱动器的耦合开关，以在所述接通时段之后的后续时段期间允许所述驱动器的所述放大器的控制对所述驱动器的所述端子电压输入电路的所述电压的所述依赖性，所述功率转换器被配置为在所述后续时段开始时增大所述驱动器的所述可控电阻器的电阻。10.根据权利要求7或8所述的功率转换器，被配置为控制至少一个所述功率开关驱动器的耦合开关，以在所述接通时段之后的后续时段期间禁用所述驱动器的所述放大器的控制对所述驱动器的所述端子电压输入电路的所述电压的所述依赖性，所述功率转换器在所述后续时段期间输送所述驱动器的所述电流输出电路的基本恒定的所述电流。11.根据权利要求7至10中的任一项所述的功率转换器，包括定时检测器，以指示以下中的至少一个：-在所述后续时段开始时通过所述至少一个功率开关的电流的变化率的方向的反转；-在所述后续时段结束时通过所述至少一个功率开关的电流的变化率的下降；以及-在所述后续时段结束时所述功率开关两端的电压低于阈值，其中-所述功率转换器被配置为执行所述耦合开关的控制，以响应于至少一个所述指示来控制所述依赖性的持续时间。12.一种功率转换器，包括根据权利要求1至6中的任一项所述的功率开关驱动器，所述功率转换器包括至少一个半桥电路，所述半桥电路包括第一功率开关和第二功率开关的串联连接，所述第一功率开关和所述第二功率开关被配置为交替地传递电流用于驱动耦合到所述半桥电路的输出线的所述负载，每个所述功率开关与换向二极管并联耦合，其中所述功率转换器包括至少一个所述功率开关驱动器以驱动相应的所述功率开关，其中所述功率开关驱动器的所述至少一个电阻器包括可控电阻器，所述功率转换器包括：-计时器电路，以测量所述功率开关的开关循环的至少一个阶段的持续时间，其中-所述功率转换器被配置为响应于至少一个所测得的持续时间而调节所述可控电阻器的电阻。13.一种功率转换器，用于驱动包括绕组的电感性负载，所述功率转换器包括至少一个半桥电路，所述半桥电路包括第一功率开关和第二功率开关的串联连接，所述第一功率开关和所述第二功率开关被配置为交替地传递电流用于驱动耦合到所述半桥电路的输出线的所述负载，其中所述功率转换器包括至少一个根据权利要求1至6中的任一项所述的功率开关驱动器以驱动相应的所述功率开关，其中所述功率开关驱动器的所述至少一个电阻器包括可控电阻器，所述功率转换器包括：-电流检测器，用于监测通过所述负载的电流，其中-所述功率转换器被配置为当所述电流检测器指示所监测的电流低于阈值电流时增大至少一个所述驱动器的所述可控电阻器的电阻。14.根据前述权利要求所述的功率转换器，其中被耦合以驱动所述相应功率开关的所述功率开关驱动器包括被配置为监测通过所述相应功率开关的电流的所述电流检测器，所述功率开关驱动器被配置为当所述电流检测器检测到所监测的电流低于所述阈值电流时增大所述功率开关驱动器的可控电阻器的电阻。15.根据权利要求13或14所述的功率转换器，被配置为基本上与所监测的电流成反比地增大所述可控电阻器的电阻。16.根据权利要求13至15中的任一项所述的功率转换器，在来自所述半桥电路的所述第一功率开关和所述第二功率开关中的至少一个的电流换向期间，电阻的增大用于减小所述输出线上的电压的变化率。17.根据权利要求13至16中的任一项所述的功率转换器，包括至少两个所述半桥电路，所述功率转换器被配置为通过使所述电流通过第一所述半桥电路的所述第一功率开关和第二所述半桥电路的第二功率开关来驱动所述负载，所述功率转换器被配置为增大第一半桥电路的第一功率开关和第二半桥电路的第二功率开关中的至少一个的所述可控电阻器的电阻，所述增大用于抑制所述负载的绕组两端的电压的变化率。18.一种功率转换器，包括至少一个功率开关驱动器，用于驱动功率开关的控制端子以驱动负载，所述功率转换器包括至少一个半桥电路，所述半桥电路包括第一所述功率开关和第二所述功率开关的串联连接，所述第一功率开关和所述第二功率开关被配置为交替地传递电流用于驱动耦合到所述半桥电路的输出线的所述负载，每个所述功率开关与二极管并联耦合，其中所述至少一个功率开关驱动器被配置为驱动相应的所述功率开关，并且所述功率转换器包括：-至少一个钳位比较器，以将所述功率开关的变量的指示符与钳位值进行比较，其中-所述功率开关驱动器被配置为，当所述钳位比较器指示所述功率开关变量指示符超过所述钳位值时，反转所述功率开关驱动器和所述功率开关的控制端子之间的电流流动方向，-所述功率开关变量包括以下中的至少一个：●所述功率开关两端的电压；●通过所述功率开关的电流的变化率；以及●所述功率开关两端的电压的变化率。19.根据前述权利要求所述的功率转换器，被配置为在所述功率开关的关断时段期间当所述钳位比较器指示所述功率开关变量指示符超过钳位值时执行所述反转。20.根据权利要求18或19所述的功率转换器，其中所述功率转换器包括耦合在所述功率开关两端的电容性阻抗，优选地，其中所述电容性阻抗包括具有在所述功率开关两端串联的阻抗的电位划分器，所述串联的阻抗的耦合被配置为提供所述功率开关两端的电压的指示符，其中每个所述串联的阻抗包括电容。21.根据权利要求18至20中的任一项所述的功率转换器，其中所述功率开关驱动器如在权利要求1至6中的任一项中所限定的。22.根据权利要求18至21中的任一项所述的功率转换器，其中所述功率转换器包括：-至少一个极限比较器，以将所述功率开关的变量的指示符与极限值进行比较，其中-所述功率开关驱动器被配置为在所述功率开关的一系列通-断开关循环中的每个通-断开关循环期间：●如果所述极限比较器指示所述功率开关变量指示符在所述功率开关的关断时段期间保持小于所述极限值，则减小电路变量；以及●如果所述比较器指示所述功率开关变量指示符在所述功率开关的关断时段期间超过所述极限值，则增大所述电路变量，-所述电路变量包括以下中的至少一个：●所述功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·斯努克，R·J·林翰，R·莱尔，
申请(专利权)人：赖茵豪森机械制造公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE