栅极驱动器电路以及驱动晶体管的方法技术

本申请公开了栅极驱动器电路以及驱动晶体管的方法。其中栅极驱动器电路包括：第一电源轨，其提供第一固定电源电压；第二电源轨，其提供第二固定电源电压；晶体管，其包括具有栅极电压的栅极端子；以及栅极驱动器集成电路IC，其被提供有第一固定电源电压和第二固定电源电压，栅极驱动器IC包括输出端子，栅极驱动器IC被配置成在输出端子处提供栅极驱动电压以在开关状态之间驱动晶体管。栅极驱动器IC包括：第一电压转换器，其被配置成对第一固定电源电压的幅度进行调制以生成第一调制电源电压；以及第一开关，其被配置成将第一固定电源电压和第一调制电源电压选择性地耦接至栅极驱动器IC的输出端子，以调节栅极驱动电压。

【技术实现步骤摘要】
栅极驱动器电路以及驱动晶体管的方法
本公开内容总体上涉及功率晶体管，并且更具体地，涉及控制功率晶体管的栅极驱动电压。
技术介绍
在汽车、消费和工业应用中，现代设备的许多功能例如转换电能和驱动电动机或电机都依赖于功率半导体器件。例如，仅举几例，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管已经应用于包括但不限于电源和功率转换器中的开关的各种应用。功率半导体器件通常包括被配置成沿着器件的两个负载端子构件之间的负载电流路径传导负载电流的半导体构件。此外，可以借助于控制电极(有时称为栅电极)来控制负载电流路径。例如，在从例如驱动器单元接收到对应的控制信号时，控制电极可以将功率半导体器件设置为导通状态和阻塞状态(blockingstate)中的一种。控制信号可以是具有受控值的电压信号或电流信号。功率晶体管是可以用于驱动负载电流的功率半导体器件。存在用于使功率晶体管导通和关断的导通过程和关断过程。在导通过程期间，栅极驱动器集成电路(IC)用于向功率晶体管的栅极提供(供应)栅极电流以使栅极充电。相反，在关断过程期间，栅极驱动器IC用于从功率晶体管的栅极牵引(吸取)栅极电流以使栅极放电。栅极驱动器电路可以是集成电路(IC)。栅极驱动器IC由正电源轨提供固定的正电压Vpos并且由负电源轨提供固定的负电压Vneg。这些电压在运行期间无法改变。栅极电阻器Rg将栅极驱动器IC的输出端子(OUT)与功率晶体管的栅极端子连接。因此，驱动的栅极电流Ig也是固定的，遵循欧姆定律(Ig＝(Vpos–Vneg)/Rg)。这意味着对于随温度或晶体管电流变化的任何操作，功率晶体管的开关特性也是固定的。图1在左侧示出了功率开关的dV/dt特性，并且在右侧示出了IGBT1的示意性表示。图1在左侧示出了在导通开关事件期间的VCE(即，dV/dt)和Ic(即，di/dt)的瞬变图。VCE电压瞬变(称为dV/dt)最初非常陡峭且很快，并且然后当栅极-集电极电容CGC处的电荷变大时变为具有浅斜率以在最后几伏缓慢拖尾结束。在导通开关事件期间，随着CGC被充电，VGE增大。一旦VGE等于阈值电压Vth，电流Ic开始流动。图1在右侧进一步示出了功率晶体管1的示意图，其示出了栅极-集电极(寄生)电容CGC、集电极-发射极电压VCE、集电极电流Ic和栅极-发射极电压VGE。在标准平面(planar)技术中，存在快速的dV/dt瞬变，但由于栅极-集电极电容CGC的米勒效应，快速的dV/dt瞬变得到缓解。实际上，用于在导通瞬变期间使功率晶体管的栅极电压升高(即充电)的栅极驱动器输出电流Ig在dV/dt和栅极电压呈现形成“米勒平台”的平坦或恒定电压期间完全流入CGC。栅极电压呈现平坦的过渡期间的阶段称为米勒阶段。在米勒阶段之后，栅极-发射极电压VGE充电至正电压Vpos。所有功率晶体管在集电极-发射极电压(或漏极-源极电压)和集电极电流(或漏极电流)的过渡期间表现出恒定的栅极电压。该栅极电压被称为米勒电压。米勒电压的水平是功率晶体管的集电极电流或漏极电流的函数。随着集电极/漏极电流增大，米勒电压(栅极-发射极电压VGE)增加，并且由于栅极驱动器IC的输出端子处的电压固定，因此栅极电阻器Rg两端的电压差减小。因此，栅极电阻器Rg两端的有效栅极驱动电压(其在导通瞬变期间驱动集电极/漏极电流)随着集电极/漏极电流的增加而减小。这在较低的开关速度下产生较大的导通能量(即，较高的开关损耗)。因此，可能需要一种改进的设备，其中，电源电压不再是固定的而是可调节的，以在操作的米勒阶段期间增加或减少栅极电流。然后可以随功率晶体管的操作条件而改变功率晶体管的开关特性，以补偿米勒效应。
技术实现思路
本文中提供了用于基于功率晶体管的输入电容来对功率晶体管的栅极电流进行适应性控制的系统、设备和方法。根据一个或更多个实施方式，提供了一种栅极驱动器电路。该栅极驱动器电路包括：第一电源轨，其被配置成提供第一固定电源电压；第二电源轨，其被配置成提供第二固定电源电压；晶体管，其包括具有栅极电压的栅极端子；栅极驱动器集成电路(IC)，其被提供有第一固定电源电压和第二固定电源电压，该栅极驱动器IC包括耦接至晶体管的栅极端子的输出端子并且被配置成在输出端子处提供栅极驱动电压以在开关状态之间驱动晶体管；以及栅极电阻器，其耦接在栅极驱动器IC的输出端子与晶体管的栅极端子之间，其中，栅极电阻器基于栅极驱动电压和栅极电压限定栅极电流。栅极驱动器IC还包括：第一电压转换器，其被配置成接收第一固定电源电压并且对第一固定电源电压的幅度进行调制以生成第一调制电源电压；以及第一开关，其被配置成将第一固定电源电压和第一调制电源电压选择性地耦接至栅极驱动器IC的输出端子，以调节栅极驱动电压。根据一个或更多个实施方式，提供了一种在电源电路中在开关状态之间驱动晶体管的方法。该方法包括：在栅极驱动器IC的输出端子处提供栅极驱动电压，以在开关状态之间驱动晶体管；向栅极驱动器IC提供第一固定电源电压和第二固定电源电压；由栅极驱动器IC将第一固定电源电压转换为第一调制电源电压；以及由栅极驱动器IC经由第一开关将第一固定电源电压和第一调制电源电压选择性地耦接至栅极驱动器IC的输出端子，以调节栅极驱动电压。根据一个或更多个实施方式，栅极驱动器包括：第一端子，其被配置成接收第一固定电源电压；第二端子，其被配置成接收第二固定电源电压；输出端子，其被配置成提供栅极驱动电压以在开关状态之间驱动晶体管；第一电压转换器，其被配置成接收第一固定电源电压并且调节第一固定电源电压的幅度以生成第一调制电源电压；以及第一开关，其被配置成将第一固定电源电压和第一调制电源电压选择性地耦接至输出端子，以调节栅极驱动电压。附图说明在文中参照附图描述实施方式。图1在左侧示出了电源开关中的dV/dt特性的电压电路图并且在右侧示出了根据一个或更多个实施方式的电源开关的示意性表示；图2示出了说明根据一个或更多个实施方式的被配置成控制功率晶体管的栅极电压控制电路的示意性框图；图3A是根据一个或更多个实施方式的基于PWM控制信号的开关S1和S2的时序图；图3B是根据一个或更多个实施方式的用于升压-降压转换器的栅极驱动电压的信号图；图4示出了根据一个或更多个实施方式的栅极驱动器IC的控制逻辑的示意性框图；图5示出了根据一个或更多个实施方式的栅极驱动器IC的控制逻辑的示意性框图；以及图6和图7示出了根据一个或更多个实施方式的具有自调节反馈校正的栅极电压控制电路的示意性框图。具体实施方式在下文中，阐述细节以提供对示例性实施方式的更彻底的说明。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。在其他实例中，以框图的形式或以示意图的形式而不是详细地示出了公知的结构和设备，以避免使实施方式模糊。另外，除非另有明确指出，否则下文描述的不同实施方式的特征可以彼此组合。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种栅极驱动器电路，包括：/n第一电源轨，其被配置成提供第一固定电源电压；/n第二电源轨，其被配置成提供第二固定电源电压；/n晶体管，其包括具有栅极电压的栅极端子；/n栅极驱动器集成电路IC，其被提供有所述第一固定电源电压和所述第二固定电源电压，所述栅极驱动器IC包括耦接至所述晶体管的所述栅极端子的输出端子并且被配置成在所述输出端子处提供栅极驱动电压以在开关状态之间驱动所述晶体管；以及/n栅极电阻器，其耦接在所述栅极驱动器IC的所述输出端子与所述晶体管的所述栅极端子之间，其中，所述栅极电阻器基于所述栅极驱动电压和所述栅极电压限定栅极电流；/n其中，所述栅极驱动器IC还包括：/n第一电压转换器，其被配置成接收所述第一固定电源电压并且对所述第一固定电源电压的幅度进行调制以生成第一调制电源电压；以及/n第一开关，其被配置成将所述第一固定电源电压和所述第一调制电源电压选择性地耦接至所述栅极驱动器IC的所述输出端子以调节所述栅极驱动电压。/n

【技术特征摘要】
20190927 US 16/585,6761.一种栅极驱动器电路，包括：
第一电源轨，其被配置成提供第一固定电源电压；
第二电源轨，其被配置成提供第二固定电源电压；
晶体管，其包括具有栅极电压的栅极端子；
栅极驱动器集成电路IC，其被提供有所述第一固定电源电压和所述第二固定电源电压，所述栅极驱动器IC包括耦接至所述晶体管的所述栅极端子的输出端子并且被配置成在所述输出端子处提供栅极驱动电压以在开关状态之间驱动所述晶体管；以及
栅极电阻器，其耦接在所述栅极驱动器IC的所述输出端子与所述晶体管的所述栅极端子之间，其中，所述栅极电阻器基于所述栅极驱动电压和所述栅极电压限定栅极电流；
其中，所述栅极驱动器IC还包括：
第一电压转换器，其被配置成接收所述第一固定电源电压并且对所述第一固定电源电压的幅度进行调制以生成第一调制电源电压；以及
第一开关，其被配置成将所述第一固定电源电压和所述第一调制电源电压选择性地耦接至所述栅极驱动器IC的所述输出端子以调节所述栅极驱动电压。


2.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中，所述第一开关被配置成将所述第一固定电源电压和所述第一调制电源电压选择性地耦接至所述栅极驱动器IC的所述输出端子，以调节所述栅极电流。


3.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中，所述栅极驱动器IC还包括：
控制器，其被配置成控制所述第一开关，使得在所述晶体管的第一开关事件时期的所述栅极电压的瞬变间隔期间，所述第一开关耦接至所述第一调制电源电压，并且控制所述第一开关，使得在所述栅极电压的第一静态状态期间，所述第一开关耦接至所述第一固定电源电压，所述第一静态状态邻接于所述瞬变间隔。


4.根据权利要求3所述的栅极驱动器电路，其中，所述控制器被配置成控制所述第一开关，使得在所述第一开关事件时期的所述栅极电压的瞬变间隔的米勒阶段期间，所述第一开关耦接至所述第一调制电源电压。


5.根据权利要求3所述的栅极驱动器电路，其中：
所述控制器被配置成接收PWM控制信号并且基于所述PWM控制信号在所述开关状态之间驱动所述晶体管，并且
所述控制器被配置成检测所述PWM控制信号的脉冲边沿并且控制所述第一开关，使得响应于检测到所述脉冲边沿而将所述第一开关耦接至所述第一调制电源电压。


6.根据权利要求5所述的栅极驱动器电路，其中：
所述控制器包括计时器，并且
所述控制器被配置成响应于检测到所述脉冲边沿而启动所述计时器并且控制所述第一开关，使得响应于所述计时器经过预定时间间隔而将所述第一开关耦接至所述第一固定电源电压。


7.根据权利要求5所述的栅极驱动器电路，其中：
所述控制器耦接至所述晶体管的所述栅极端子并且被配置成监测所述栅极电压并将所监测的栅极电压与阈值电压值进行比较，并且
所述控制器被配置成控制所述第一开关，使得响应于所监测的栅极电压超过所述阈值电压值而将所述第一开关耦接至所述第一固定电源电压。


8.根据权利要求7所述的栅极驱动器电路，其中，所述阈值电压值为所述第一固定电源电压。


9.根据权利要求7所述的栅极驱动器电路，其中，所述阈值电压值的幅度小于所述第一固定电源电压的幅度。


10.根据权利要求3所述的栅极驱动器电路，其中：
所述第一固定电源电压为正固定电源电压，以及所述第一调制电源电压为调制后的正电源电压；并且
所述第一开关事件是所述晶体管的导通开关事件。


11.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中：
所述第一固定电源电压为负固定电源电压，以及所述第一调制电源电压为调制后的负电源电压，并且
所述第一开关事件是所述晶体管的关断开关事件。


12.根据权利要求1所述的栅极驱动器电路，其中，所述第一电压转换器被配置成从外部控制器接收压摆率控制SRC控制信号，并且基于由所述SRC控制信号提供的电压幅度信息来生成所述第一调制电源电压。


13.根据权利要求12所述的栅极驱动器电路，还包括：
传感器，其被配置成测量所述栅极驱动器电路的物理特性并且生成测量信号；
其中，所述第一电压转换器被配置成从所述传感器接收所述测量信号并且基于所述测量信号和由所述SRC控制信号提供的所述电压幅度信息来生成所述第一调制电源电压。


14.根据权利要求13所述的栅极驱动器电路，其中，所述传感器是以下之一：温度传感器，其被配置成测量与所述晶体管相关联的温度；电压传感器，其被配置成测量与耦接至所述晶体管的负载相对应的负载电压；或者电流传感器，其被配置成测量与所述负载相对应的负载电流。


15.根据权利要求12所述的栅极驱动器电路，还包括：
传感器，其被配置成测量所述栅极驱动器电路的物...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈·弗兰克，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT