反馈控制电路制造技术

本发明专利技术涉及一种反馈控制电路，具体涉及一种适于控制功率半导体部件的栅极驱动电路。所述栅极驱动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，所述栅极驱动电路包括具有电感耦合元件的反馈电路用于提供反馈信号，其中具有电感耦合元件的反馈电路的一端连接到已知的参考电位，并且反馈电路的另一端连接到栅极驱动器，并且电感耦合元件感应耦合到功率半导体部件的主电流路径，用于基于功率半导体部件的电流的变化率向栅极驱动器提供反馈信号，从而限制功率半导体部件的电流的变化率。

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.

【技术实现步骤摘要】
反馈控制电路
本专利技术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(switchingtransient)。
技术介绍
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UDC和在换向路径杂散电感Lstray中感应的电压uind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uind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Qrr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US8710876B2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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种栅极驱动电路以解决上述问题。本专利技术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。本专利技术的优选实施例在从属权利要求中公开。本专利技术基于使用感应耦合(inductivecoupling)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。利用本专利技术，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专利技术，其中：图1示出了本专利技术的电路的基本原理；图2，图3，图4和图5示出了本专利技术的不同实施例；以及图6示出了利用本专利技术的实施例所获得的测量结果。具体实施方式图1示出了本专利技术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。本专利技术的栅极驱动电路包括包含电感耦合元件T1的反馈电路。反馈电路的一端连接到已知的参考电位VREF，反馈电路的另一端连接到栅极驱动器A1。根据本专利技术，电感耦合元件T1感应耦合到功率半导体部件的主电流路径。执行感应耦合以向栅极驱动器提供反馈信号，并且反馈信号的值基于功率半导体部件的电流的变化率。在图1的电路中，输入到栅极驱动器A1的控制信号Vc提供开关部件V1的开(ON)/关(OFF)控制。栅极驱动器放大所接收的控制信号并且用于提供对半导体部件的可靠控制。输入的控制信号被放大，使得栅极驱动器的输出可以获得在正和负辅助电压之间的值。正和负辅助电压参考作为开关部件的发射极电位的电位COM。因此，在图1的示例中，栅极驱动器能够向受控开关部件的栅极产生双极控制电压。在图1的示例中，将控制信号Vc与反馈电压VFB进行比较。电路的操作成当控制信号Vc为高时，栅极驱动器控制到受控部件的栅极的正辅助电压。如果在开关部件的接通期间，通过开关部件的电流快速增加，则反馈电路向栅极驱动器提供正反馈电压。在所获得的反馈电压高于某一极限的情况下，栅极驱动器降低其输出电压，使得部件的栅极电压降低。降低的栅极电压限制了通过部件的电流的变化率。一旦电流的变化率受到限制，反馈电压减小，并且栅极驱动器可以向受控部件的栅极提供完全导通电压。在关断过程中的操作类似。如果电流的减小速率高于某一极限，则由栅极驱动器接收的反馈电压为负。负反馈电压操作以增加栅极电压，从而限制通过部件的关断电流的减小速率。因此，在本专利技术中，从电流变化率di/dt获得反馈。感应到电感耦合元件(例如罗柯夫斯基线圈或耦合电感器)的电压与通过部件的电流的导数成线性比例。因此，利用电感部件的线圈匝数以及参考电位VREF的选择，可以选择最大可允许电流变化率，使得当超过最大可允许变化率时，通过可操作地连接到栅极驱动电路的栅极驱动器的电路来限制变化率。图2示出了本专利技术的实施例，其中控制信号用来自电感反馈元件的反馈进行修改。在图2中，控制信号Vc被接收到推挽晶体管对V12、V13的栅极。推挽晶体管对以已知的方式用作控制信号的栅极驱动器的放大器。推挽晶体管对的输出端通过栅极电阻器R11连接到受控半导体部件V11的栅极。在图2的电路中，来自电流变化率的反馈被引导到推挽晶体管对的基极端子。更具体地，电路包括与电感耦合元件串联的双极齐纳二极管V14和与双极齐纳二极管串联的第一电阻器R13。该反馈电路连接到形成推挽晶体管对的晶体管V12、V13的基极。该实施例还包括连接在控制信号输入端和晶体管V12、V13的基极之间的第二电阻器R12。开关部件V11以正电压导通，并且诸如罗柯夫斯基线圈T11等电感反馈部件以这样的方向缠绕：开关部件V11的正di/dt引起负电压。双极二极管V14的齐纳电压被选择为最大允许di/dt处的控制电压Vc和线圈电压之和。在这种情况下，如果di/dt超过最大允许值，则齐纳二极管V14开始导通，从而根据电阻器R12和R13之间的分压降低晶体管V12和V13的基极电压。因此，在开关部件导通期间，并且当电流的变化率超过特定值时，形成从控制电压Vc经过第一和第二电阻器R12、R13和齐纳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于控制功率半导体部件的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括能够连接到正辅助电压(V+)和负辅助电压(V‑)的栅极驱动器，所述栅极驱动电路包括具有电感耦合元件的、用于提供反馈信号的反馈电路，其中：具有所述电感耦合元件的所述反馈电路的一端连接到已知的参考电位，并且所述反馈电路的另一端连接到所述栅极驱动器，以及所述电感耦合元件感应耦合到所述功率半导体部件的主电流路径，以基于所述功率半导体部件的电流的变化率向所述栅极驱动器提供反馈信号，从而限制所述功率半导体部件的电流的变化率。

【技术特征摘要】
2015.11.27 EP 15196750.21.一种适于控制功率半导体部件的栅极驱动电路，所述栅极驱动电路包括能够连接到正辅助电压(V+)和负辅助电压(V-)的栅极驱动器，所述栅极驱动电路包括具有电感耦合元件的、用于提供反馈信号的反馈电路，其中：具有所述电感耦合元件的所述反馈电路的一端连接到已知的参考电位，并且所述反馈电路的另一端连接到所述栅极驱动器，以及所述电感耦合元件感应耦合到所述功率半导体部件的主电流路径，以基于所述功率半导体部件的电流的变化率向所述栅极驱动器提供反馈信号，从而限制所述功率半导体部件的电流的变化率。2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中，所述栅极驱动器包括形成推挽电路的晶体管对，所述晶体管对的输出端连接到所述功率半导体部件的栅极，并且所述晶体管对的输入端适于接收控制电压(Vc)，从而控制所述功率半导体部件，并且所述反馈信号被配置为根据所述功率半导体部件的电流的变化率来改变所述推挽电路的输入端的电位。3.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中，所述反馈电路包括具有齐纳电压的双极齐纳二极管和第一电阻器(R13)，所述第一电阻器还连接到所述推挽晶体管电路的基极，并且所述栅极驱动电路还包括控制电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：米科·萨里南，马库斯·奥伊诺宁，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI