用于SiC和IGBT功率器件控制去饱和或短路故障的栅极驱动控制系统。用于功率半导体器件的栅极驱动控制器包括：主控制单元(MCU)；以及一个或多个比较器，一个或多个比较器将功率半导体器件的输出信号与由MCU生成的参考值进行比较。MCU响应于关断触发信号而生成用于功率半导体器件的第一中间驱动信号，并且当DSAT信号指示功率半导体器件正在经历去饱和时生成不同于第一驱动信号的第二中间驱动信号。当一个或多个比较器的输出信号指示功率半导体器件的输出信号已经相对于参考值而改变时，MCU生成用于功率半导体的最终驱动信号。控制器还可以包括定时器，当一个或多个比较器不指示变化时，定时器使驱动信号以预定间隔改变。定时器使驱动信号以预定间隔改变。定时器使驱动信号以预定间隔改变。
【技术实现步骤摘要】
用于SiC和IGBT功率器件控制去饱和或短路故障的栅极驱动控制系统
[0001]本申请是2016年10月20日提出的、申请号为2016800743251、名称为“用于SiC和IGBT功率器件控制去饱和或短路故障的栅极驱动控制系统”的专利技术申请的分案申请。
[0002]本申请要求2015年10月21日提交的美国临时申请序列号62/244,325以及来自2016年9月13日提交的美国临时申请序列号62/393,859的优先权的权益，并且是2016年3月18日提交的美国专利申请序列号15/074,364的延续部分，这些申请的内容通过引用结合在此。
[0003]本申请涉及用于功率半导体器件的栅极驱动控制器和用于驱动功率半导体器件的栅极的方法。
技术介绍
[0004]基于硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和其他宽带隙材料(WBG)(诸如金刚石、氮化铝(AlN)和氮化硼(BN))的功率半导体器件、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或FET(场效应晶体管)用于高功率逆变器、电机控制、电池控制系统等。SiC FET和GaN FET正成为高功率系统的流行选项。这些宽带隙器件具有更高的切换速度并且比Si IGBT更高效。所提高的效率是更快的切换速度的结果。更快的切换降低了切换损耗，并且通过以更高频率切换，可以使用比用于具有较低切换速度的器件更小的电感器和电容器。更低损耗和更小外部滤波器部件的组合使得SiC器件成为IGBT的有吸引力的替代品。
技术实现思路
[0005]在一个实施例中，一种用于功率半导体器件的栅极驱动控制器包括：主控制单元(MCU)；以及比较器，所述比较器将所述功率半导体器件的输出信号与参考值进行比较。所述MCU响应于关断触发信号而生成所述参考值以及用于所述功率半导体器件的第一中间驱动信号。当去饱和(DSAT)信号指示所述功率半导体器件正在经历去饱和时，所述MCU生成不同的参考值和不同的中间驱动信号。当所述比较器指示来自所述功率半导体器件的所述输出信号小于所述参考值时，所述MCU生成用于所述功率半导体的最终驱动信号。
[0006]在另一个实施例中，一种栅极驱动控制器包括MCU，所述MCU：当触发信号指示所述功率半导体器件将被关断时生成用于所述功率半导体器件的第一驱动信号；在第一预定时间间隔上保持所述第一驱动信号；在所述第一预定时间间隔结束时提供不同于所述第一驱动信号的第二驱动信号；在第二预定时间上保持所述第二驱动信号；并且在所述第二预定时间间隔结束时提供不同于所述第一驱动信号和所述第二驱动信号的第三驱动信号。
[0007]在又另一个实施例中，所述MCU接收具有上升沿和下降沿的触发脉冲。响应于检测到所述触发脉冲的所述上升沿，所述MCU生成第一参考值以及用于部分导通所述功率半导体器件的第一驱动信号。当所述比较器的所述输出信号改变状态时，所述MCU生成用于完全
导通所述功率半导体器件的第二驱动信号。响应于所述触发脉冲的所述下降沿，所述MCU生成第二参考值以及用于所述功率半导体器件的第三驱动信号以便部分关断所述功率半导体器件。当所述比较器的所述输出信号改变回其原始状态时，所述MCU生成用于完全关断所述功率半导体器件的第四驱动信号。
[0008]在又另一个实施例中，取决于正被控制器件的类型，所述MCU监测Vce或Vds以判定何时步进到多级关断(MLTO)序列中的下一级电压电平。所述MCU使用两个比较器来判定过压尖峰何时升高至第一预定电压VCHK1以上以及何时降低至第二预定电压VCHK2以下。这些电压值随着每个步骤而改变。当所述两个比较器指示Vce/Vds处于电压范围内时，可以继续进行关断过程中的下一步骤。知道何时基于Vce/Vds的值而移动到下一级电压电平允许对MLTO过程进行优化，并尽可能快地关闭电源设备以最小化任何可能的损坏。所述MCU还可以在每个步骤时监测定时器设置以便即使比较器未指示下一步骤到期也仍然在由定时器指示的时间时继续进行下一步骤。
附图说明
[0009]图1A是包括四个功率FET的桥电路的示意图。
[0010]图1B是曲线图，示出了对描述图1A中所示电路的操作有用的电压与时间波形以及电流与时间波形。
[0011]图2和图3是曲线图，示出了对描述示例控制电路有用的电压与时间波形以及电流与时间波形。
[0012]图4是基于Vce来控制切换的示例控制电路的示意图。
[0013]图5是基于Ic来控制切换的示例控制电路的示意图。
[0014]图6是基于Vce来控制切换并且包括Vce过冲监测器的示例控制电路的示意图。
[0015]图7和图8是对描述图4、图5和图6中所示电路的操作有用的流程图。
[0016]图9是曲线图，示出了对于描述当检测到去饱和事件时控制切换的控制电路有用的电压与时间波形。
[0017]图10和图11是对描述当检测到去饱和事件时控制进行切换的控制电路的操作有用的流程图。
[0018]图12是框图，部分地采用了当去饱和事件被检测到时控制进行切换的示例电路的示意图形式。
具体实施方式
[0019]SiC器件的较高切换速度可能产生控制问题。与系统的杂散电感耦合的快速导通和关断时间可能会在器件关断时导致相对高压的切换尖峰并且在所述器件导通时在输出电压信号上产生振铃。尖峰和振铃与系统中的电感L直接相关(V＝L*dI/dt)。例如，具有仅50nH电感在50ns内切换200安培的功率半导体器件可能产生200V的尖峰。这种大尖峰可能限制SiC器件的有用性。
[0020]图1A和图1B示出跨桥电路的负载的导通振铃和关断尖峰。图1A中所示的电路100包括被安排为用于向展示为电阻器110的负载提供功率的桥电路的四个功率FET 102、104、106和108。FET 102和104由电压栅极控制1来控制，而FET 106和108由电压栅极控制2来控
制。图1B是曲线图，示出了栅极控制1(112)、栅极控制2(114)、负载两端的电压(116)、以及经过负载的电流(118)。在时间T1时，栅极控制2转变为高，导通FET 106和108。这导致电流经负载从端子1流到端子2。如所示出的，快速切换还导致负载两端的电压上的振铃120。这种振铃是由电路中的寄生电感所导致的。在时间T2时，栅极控制2转变为低，并且栅极控制1转变为高。这切断了FET 106和108，并导通了FET 102和104，从而使得电流在相反方向上流经负载，从端子2到端子1。这种切换还在时间2时生成在负载两端的电压中的振铃120。在时间T3时，栅极控制1转变为低，关断FET 102和104，切断到负载110的电流。切断所述电流导致了负载110两端的电压中的尖峰122。
[0021]现有系统使用电阻器来降低栅极充电电流，并且因此减慢SiC器件的切换时间以减小尖峰和振铃。不幸的是，在整个切换时段内减慢切换时间大大降低了系统效率。需要一种解决方案来控制和优化切换速度以便维持效率同时减小关断电压尖峰和导通振铃。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于功率半导体器件的栅极驱动控制器，所述栅极驱动控制器包括：存储器，所述存储器上存储有第一信号配置；和控制逻辑，用于：响应于功率半导体器件正在经历去饱和操作的指示，生成表现出由所述第一信号配置指定的第一电压电平的逐步降低驱动信号以关断所述功率半导体器件。2.根据权利要求1所述的栅极驱动控制器，其中，所述存储器上存储有不同于所述第一信号配置的第二信号配置，并且其中所述控制逻辑用于：响应于所述功率半导体器件正在经历正常操作的指示和关断所述功率半导体器件的指令，生成响应于所述第二信号配置的降低驱动信号以关断所述功率半导体器件。3.根据权利要求2所述的栅极驱动控制器，其中，所述降低驱动信号包括表现出由所述第二信号配置指定的第二电压电平的逐步降低驱动信号。4.根据权利要求3所述的栅极驱动控制器，其中，由所述第二信号配置指定的第二电压电平不同于由所述第一信号配置指定的第一电压电平。5.根据权利要求1所述的栅极驱动控制器，包括与所述功率半导体器件和所述控制逻辑通信的比较器，所述比较器被配置为提供所述功率半导体器件正在经历去饱和操作的指示。6.根据权利要求1所述的栅极驱动控制器，其中，由所述第一信号配置指定的第一电压电平包括两个电压电平，并且其中所述两个电压电平中的至少一个是关联于所述功率半导体器件处于关断的电压电平，并且所述两个电压电平中的另一电压电平是在关联于所述功率半导体器件处于导通的电压电平与关联于所述功率半导体器件处于关断的电压电平之间的电压电平。7.根据权利要求1所述的栅极驱动控制器，其中，由所述第一信号配置指定的第一电压电平包括多个电压电平，其中所述多个电压电平中的至少一个电压电平是关联于所述功率半导体器件处于关断的电压电平，并且所述多个电压电平中的至少两个电压电平是在关联于所述功率半导体器件处于导通的电压电平与关联于所述功率半导体器件处于关断的电压电平之间的电压电平。8.根据权利要求1所述的栅极驱动控制器，包括定时器以使定时器到期指示生效，其中所述控制逻辑与所述定时器通信从而响应于已生效的定时器到期指示而生成逐步降低的驱动信号。9.根据权利要求8所述的栅极驱动控制器，其中，所述控制逻辑用于响应于在所述功率半导体器件两端观察的电压与电压尖峰阈值之间的电压比较来设置定时器值。10.根据权利要求9所述的栅极驱动控制器，其中，所述控制逻辑用于响应于由所述第一信号配置指定的时序信息来设置定时器值。11.根据权利要求10所述的栅极驱动控制器，其中，所述第一信号配置的时序信息指定由所述第一信号配置所指定的电压电平之间的逐步降低的切换。12.根据权利要求1所述的栅极驱动控制器，其中，所述控制逻辑用于响应于所述功率半导体器件的累计操作时间来调整所述第一信号配置。...
【专利技术属性】
技术研发人员：艾伯特，
申请(专利权)人：密克罗奇普技术公司，
类型：发明
国别省市：
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