[发明专利]逆变器的开关器件的自适应栅极驱动

说明书

技术领域

一般来说，本公开涉及用于半导体功率器件的自适应栅极驱动，更具体来说，涉及用于控制导通和/或截止行为的绝缘栅双极晶体管的自适应栅极驱动。

背景技术

半导体功率开关器件、如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在本领域是众所周知的。例如，IGBT一直是用于可变速AC电动机驱动的逆变器部分及其它类似应用中的主要功率半导体器件。最新一代的IGBT包括沟槽栅场终止IGBT器件(TG-IGBT)，它们有时又称作第三代IGBT器件。

沟槽栅IGBT器件提供优于先有IGBT器件的大量优点。例如，沟槽栅IGBT往往具有更低的导通状态电压要求。此外，沟槽栅IGBT通常能够比包括先前几代IGBT器件在内的其它半导体器件更迅速地进行开/关转换。但是，沟槽栅IGBT器件的极快速截止行为可能使得将IGBT上的电压保持在反偏安全工作区(RBSOA)之内极为困难。另外，沟槽栅IGBT器件的快速截止行为可能引起所连接电路之内的寄生振荡。这类寄生振荡可能干扰栅极驱动及其它控制电路和/或导致它们出故障。此外，当如AC电动机控制器的逆变器部分中常见的那样采用自由旋转二极管时，沟槽栅IGBT的极快速导通行为可能导致反向恢复的问题。例如，因为反向恢复期间的电流以高变化速率终止，所以“导通”期间的反向恢复可能非常“爽快”。这也可能引起沟槽栅IGBT器件和栅极驱动电路的寄生振荡及可能的故障。这类问题在较高工作电压和电流时更为明显。

本领域中已经提出多种技术来解决涉及沟槽栅IGBT用于逆变器时的快速导通和截止行为的一部分问题。在一种技术中，沟槽栅IGBT的栅电阻增加，使得器件更缓慢地转换。增加栅电阻帮助控制IGBT的导通行为。但是，为了有效地控制沟槽栅IGBT的截止行为，栅电阻必须实质上增加多达10至20倍。电阻的这种实质增加可能造成沟槽栅IGBT器件的“截止”中的延迟，这一般可能是不可接受的。

在另一种技术中，两级“导通”和“截止”过程可用来控制沟槽栅IGBT器件的转换。在这种技术中，栅极电阻器的值在固定级增加，从而控制沟槽栅IGBT器件的“导通”或“截止”。这种技术解决在仅使用简单固定电阻时出现的“截止”期间不可接受的延迟的问题。在又一种技术中，可监测沟槽栅IGBT器件的集电极电压(通常为集电极电压的绝对值以及变化率)，并且栅极电压被改变以影响导通/截止时间。在又一种技术中，沟槽栅IGBT器件中的电流的变化率可利用具有IGBT器件的模块的电源与控制端子之间的电压来监测，以及栅极电压可被改变为可接受的电平。

以上所述的技术被开发以避免“最坏情况”条件下电源电路中的过电压和振荡。然而，虽然栅极驱动设计成经受得住这种最坏情况条件，但电源电路即使有的话也是很少遇到这类最坏情况条件。绝大多数工作条件低于(好于)最坏情况。因此，电源电路在设计用于即使有的话也是很少遇到的最坏情况条件时不能最理想地工作。也就是说，沟槽栅IGBT器件的导通和截止行为比它们在最坏情况条件之外的工作条件下所需的要慢许多。慢转换行为产生增加的热耗散以及产生的设备等级和/或可靠性的损失。

发明内容

用于逆变器的栅极驱动根据逆变器和IGBT器件的工作条件来适配或修改送往开关器件、如逆变器的绝缘栅双极晶体管(IGBT器件)的信号，以便控制IGBT器件的导通和/或截止行为。自适应栅极驱动包括具有现场可编程门阵列(FPGA)的控制电路，并且包括具有多个场效应晶体管(FET)的电源电路。控制电路提供用于操作IGBT器件的开关信号。另外，控制电路还接收从逆变器测量的工作条件。工作条件包括IGBT器件的输出电流、IGBT器件的温度以及逆变器的直流链路电压。

FPGA存储多个工作点。每个工作点具有用来控制IGBT器件的导通和/或截止行为的控制信号的对应参数。在一个实施例中，工作参数包括用于根据逆变器和IGBT器件的工作条件最佳地控制IGBT器件的开关行为的控制脉冲的起始时间和停止时间。这些参数对于逆变器的具体IGBT器件根据经验来确定。

在工作中，控制电路把从逆变器测量的工作条件与FPGA中存储的工作点进行比较，并向电源电路发送对应的控制信号。当IGBT器件最初截止时，控制脉冲在对应的起始时间开始并保持工作条件的持续时间。起始时间以IGBT器件在开关器件的最初“截止”期间开始去饱和之后的某个时间开始。作为响应，电源电路向IGBT器件的栅极提供驱动信号，它以适合IGBT器件的工作条件的方式来控制器件的导通或截止行为。