[发明专利]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

说明书

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)；以及一个或多个比较器，所述一个或多个比较器将所述功率半导体器件的所述输出信号与由所述MCU生成的参考值进行比较。所述MCU响应于关断触发信号而生成用于所述功率半导体器件的第一中间驱动信号，并且当DSAT信号指示所述功率半导体器件正在经历去饱和时生成不同于所述第一驱动信号的第二中间驱动信号。当所述一个或多个比较器的所述输出信号指示所述功率半导体器件的所述输出信号已经相对于所述参考值而改变时，所述MCU生成用于所述功率半导体的最终驱动信号。所述控制器还可以包括定时器，当所述一个或多个比较器不指示变化时，所述定时器使所述驱动信号以预定间隔改变。

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。

背景技术

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。

发明内容

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。

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。

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。

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