本公開涉及功率電子的領(lǐng)域。更具體地說，本公開涉及用于控制電子開關(guān)的集電極到發(fā)射極電壓變化的柵極驅(qū)動(dòng)器以及包括所述柵極驅(qū)動(dòng)器的電路。

背景技術(shù)：

換向單元在需要轉(zhuǎn)換電壓源的電子系統(tǒng)中是常用的，包括DC-DC轉(zhuǎn)換器和DC-AC轉(zhuǎn)換器。圖1是帶有電壓源和電流負(fù)載的具有單個(gè)功率電子開關(guān)以及單個(gè)續(xù)流二極管的傳統(tǒng)換向單元的理想電路圖。換向單元10將來自電壓源12(或來自電容器20)的DC電壓V_bus轉(zhuǎn)換為電流源I_out 11(或電感)，其通常生成對于負(fù)載14適當(dāng)?shù)碾妷篤_out，負(fù)載14可以是電阻性負(fù)載或電機(jī)等。換向單元(commutation unit)10包括續(xù)流二極管16和受控功率電子開關(guān)18(例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT))，如圖1所示。另一換向單元可以通過金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管等替換IGBT。換向單元10還包括電容器20和電感28。電容器20限制電壓源12的電壓V_bus的變化，而電感28限制輸出電流I_out 11的變化。柵極驅(qū)動(dòng)器(圖1中未示出，但在后面附圖中示出)控制功率電子開關(guān)18的接通和關(guān)斷。圖1示出換向單元10、電壓源12以及負(fù)載14的配置，其中，能量從電壓源12流到負(fù)載14(即在附圖上從左到右)。換向單元10也可以用在能量在相反方向上流動(dòng)的相反配置中。

當(dāng)接通時(shí)，功率電子開關(guān)18允許電流通過其從其集電極22傳遞到其發(fā)射極24。功率電子開關(guān)18可以近似為閉合電路。當(dāng)功率電子開關(guān)18關(guān)斷時(shí)，其變?yōu)殚_路，并且集電極到發(fā)射極電壓V_ce穿過其得以構(gòu)建。

柵極驅(qū)動(dòng)器在功率電子開關(guān)18的柵極26與發(fā)射極24之間施加可變控制電壓。對于一些類型的功率電子開關(guān)(例如雙極型晶體管)，柵極驅(qū)動(dòng)器可以充當(dāng)電流源而非充當(dāng)電壓源。通常，當(dāng)柵極26與發(fā)射極24之間所施加的電壓為“高”時(shí)，功率電子開關(guān)18允許電流從集電極22傳遞到發(fā)射極24。當(dāng)柵極26與發(fā)射極24之間所施加的電壓為“低”時(shí)，在電壓V_ce增加的同時(shí)，功率電子開關(guān)18限制電流傳遞通過此處。更詳細(xì)地，表示為V_ge的柵極26與發(fā)射極24之間的電壓差受控于柵極驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)V_ge大于用于功率電子開關(guān)18的閾值V_ge(th)時(shí)，開關(guān)18接通，并且集電極22與發(fā)射極24之間的電壓V_ce變?yōu)榻咏?。?dāng)V_ge低于V_ge(th)時(shí)，功率電子開關(guān)18關(guān)斷，并且從集電極22到發(fā)射極24的電流變?yōu)榻咏悖瑫r(shí)，V_ce趨于到達(dá)V_bus。

當(dāng)功率電子開關(guān)18接通時(shí)，電流I_out從電壓源12(并且瞬時(shí)地從電容器20)流動(dòng)通過負(fù)載14并且通過集電極22和發(fā)射極24。當(dāng)功率電子開關(guān)18關(guān)斷時(shí)，電流I_out 11從負(fù)載14循環(huán)，并且在續(xù)流二極管16中傳遞。以高頻接通并且關(guān)斷功率電子開關(guān)18允許輸出電感中的電流I_out 11保持適度地恒定。

應(yīng)注意，在其它功率電子開關(guān)類型(例如雙極型晶體管)的情況下，術(shù)語“柵極”可以替代以“基極”，基極受控于電流，與受控于電壓的柵極相反。這些區(qū)別并不改變換向單元10的總體操作原理。

圖2是示出寄生電感和電容的圖1的傳統(tǒng)換向單元的另一電路圖。與圖1的理想化模型對比，實(shí)際換向單元的各組件之間的連接定義寄生(雜散)電感，而各組件之間的絕緣定義寄生電容。雖然寄生電感分布在換向單元10內(nèi)的各個(gè)位置處，但圖2中所提出的合適的模型示出表示總體寄生電感的兩(2)個(gè)區(qū)別電感，包括功率電子開關(guān)18的發(fā)射極電感30以及表示續(xù)流二極管16、功率電子開關(guān)18和電容器20所形成的高頻環(huán)路34周圍的所有其它寄生電感(除了發(fā)射極電感30之外)的電感32。高頻環(huán)路34是在功率電子開關(guān)34的開關(guān)時(shí)電流顯著改變的路徑。應(yīng)注意，輸出電感L_out 28并非高頻環(huán)路的部分，因?yàn)槠潆娏髫灤Q向時(shí)段保持適度地恒定。顯著寄生電容包括集電極到柵極電容36以及柵極到發(fā)射極電容38。

圖3是典型IGBT的等效電路的說明。IGBT 40在單個(gè)設(shè)備中組合金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的簡單的低功率電容柵極-源極特性與雙極型晶體管的高電流和低飽和電壓能力。IGBT 40可以用作圖1和圖2的功率電子開關(guān)18，并且具有相同的柵極26、集電極22以及發(fā)射極24。更詳細(xì)地說，以一個(gè)MOSFET 42和晶閘管48中所連接的兩個(gè)雙極型晶體管44、46形成IGBT 40的等效電路，晶閘管的等效電路與IGBT 40的輸出級相同：兩個(gè)雙極型晶體管，包括彼此對立的一個(gè)PNP晶體管44和一個(gè)NPN晶體管46。IGBT 40的輸入以電壓受控的等效MOSFET 42形成，具有低功率柵極驅(qū)動(dòng)器耗散，并且提供高速開關(guān)。IGBT 40的輸出以晶閘管配置48中所連接的兩個(gè)雙極型晶體管44、46形成，以提供強(qiáng)大的輸出。

雖然雙極型晶體管44、46能夠支持高功率電平，但它們的反應(yīng)時(shí)間不匹配MOSFET 42的反應(yīng)時(shí)間。

當(dāng)IGBT 40經(jīng)受足夠的柵極到發(fā)射極電壓V_ge時(shí)，MOSFET 42首先接通。這樣使得電流循環(huán)通過PNP晶體管44的基極-發(fā)射極結(jié)，將PNP晶體管44接通。這樣進(jìn)而接通NPN晶體管46，此后，IGBT 40準(zhǔn)備將高電平電流傳遞通過集電極22和發(fā)射極24。

MOSFET 42可以經(jīng)由漂移區(qū)域50在輕負(fù)載下取得IGBT 40的全部電流，這暗指IGBT 40能夠通過流過集電極22和發(fā)射極24的良好受控的電流變化(di/dt)快速地接通。為了在較重的負(fù)載下按IGBT 40的完全額定承載電流，雙極型晶體管44、46需要接通。IGBT 40的完全接通的速度取決于溫度以及流過集電極22和發(fā)射極24的電流的幅度。

MOSFET 42在IGBT 40的關(guān)斷時(shí)也首先關(guān)斷。甚至當(dāng)MOSFET 42完全關(guān)斷時(shí)，兩個(gè)雙極型晶體管44、46保持導(dǎo)通達(dá)簡短時(shí)刻，直到位于它們的基極-發(fā)射極結(jié)上的少數(shù)載流子得以消除。IGBT 40的體區(qū)域52允許通過首先關(guān)斷NPN晶體管46關(guān)斷晶閘管48。一旦NPN晶體管48關(guān)斷，PNP晶體管44的基極-發(fā)射極結(jié)的少數(shù)載流子就得以消除，有效地終止IGBT 40的關(guān)斷過程。

因?yàn)殡p極型晶體管44、46所形成的IGBT 40的輸出級比MOSFET 42所形成的輸入級更慢，所以存在一限制，高于該限制加速施加在柵極26處的控制信號將對IGBT 40的開關(guān)時(shí)間沒有顯著影響。例如，在接通期間，在比MOSFET 42可以處理的更大的電流負(fù)載時(shí)，一旦晶閘管48(即兩個(gè)雙極型晶體管44、46)接通，就可以僅支持完全電流負(fù)載。以相同方式，在關(guān)斷期間，甚至當(dāng)加速在柵極26處所施加的控制信號時(shí)，晶閘管48保持導(dǎo)通，直到少數(shù)載流子得以消除。

IGBT 40的各個(gè)組件的本征非線性使得其控制復(fù)雜，并且使得難以按最大效率進(jìn)行操作。雖然期望快速地接通并且關(guān)斷IGBT 40以盡可能多地減少在換向過程期間的損耗，但還期望避免IGBT 40的過度集電極到發(fā)射極過壓，同時(shí)還避免續(xù)流二極管16的過度恢復(fù)電流。

圖4是示出作為柵極電阻值的函數(shù)的IGBT的開關(guān)損耗的示例的圖線。當(dāng)與IGBT 40的接通有關(guān)時(shí)表示為E_on并且當(dāng)與IGBT 40的關(guān)斷有關(guān)時(shí)表示為E_off的能量損耗以毫焦(mJ)為單位表示為表示控制IGBT 40的柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗的柵極電阻器(R_G)的值的函數(shù)。因?yàn)镮GBT 40在處于其線性區(qū)域中的同時(shí)運(yùn)作為電壓受控電流源，所以流過IGBT 40的集電極到發(fā)射極電流隨著施加在柵極26與發(fā)射極24之間的電壓V_ge增加。公知的是，雙極型晶體管在接通時(shí)比在關(guān)斷時(shí)更快。為此，在IGBT 40的接通時(shí)的損耗主要取決于柵極驅(qū)動(dòng)器的電阻值R_G，其定義等效接通/關(guān)斷電流源并且提供柵極26與發(fā)射極24之間的電壓V_ge。另一方面，在晶閘管48仍處于導(dǎo)通的同時(shí)，MOSFET 42可以完全關(guān)斷，直到雙極型晶體管44、46的基極-發(fā)射極上的電荷得以完全消除。因此，作為柵極電阻器R_G的函數(shù)的損耗的斜率對于關(guān)斷比對于接通的相同曲線更低。在圖4上，雖然損耗是稍微依賴于溫度的，但在接通時(shí)的損耗(60、62)受續(xù)流二極管16中的恢復(fù)電流影響，并且因此傾向于比在關(guān)斷(64、66)時(shí)的損耗更大。

圖5是具有一對功率電子開關(guān)并且進(jìn)一步示出柵極驅(qū)動(dòng)器的傳統(tǒng)IGBT支路的電路圖。典型地，圖5所示的三(3)個(gè)支路將功率提供給三相AC電機(jī)。替代地，一對這樣的支路將功率提供給單相AC電機(jī)。圖5上并未示出IGBT支路70的一些元件，以簡化說明。圖5包括圖1和圖2的前面描述中所介紹的元件。IGBT支路70包括兩(2)個(gè)相似的功率電子開關(guān)18以及匹配續(xù)流二極管16。開關(guān)18和二極管16形成的配對以級聯(lián)方式操作，IGBT支路70的頂部處的開關(guān)18(Q2)隨底部處的二極管16(D1)操作，并且反之亦然。圖5進(jìn)一步示出連接到所示的功率電子開關(guān)18之一(Q1)的柵極驅(qū)動(dòng)器72；并未示出連接到另一(Q2)功率電子開關(guān)18的另一柵極驅(qū)動(dòng)器72，以簡化說明。在圖5中，兩(2)個(gè)開關(guān)18的互連產(chǎn)生區(qū)別寄生電感，包括兩(2)個(gè)發(fā)射極電感30以及兩(2)個(gè)集電極電感33。

柵極驅(qū)動(dòng)器72具有正供電電壓74以及負(fù)供電電壓76，柵極驅(qū)動(dòng)器72的輸出78連接到功率電子開關(guān)18的柵極26。柵極驅(qū)動(dòng)器72的正供電電壓74具有大于大地基準(zhǔn)(未示出)表示為+V_cc的值(例如+15伏特)，而負(fù)供電電壓76具有小于大地基準(zhǔn)的表示為-V_dd的值(例如-5伏特)。柵極驅(qū)動(dòng)器72的輸入(未示出)連接到IGBT支路70的控制器(也未示出)，如本領(lǐng)域公知的那樣。柵極驅(qū)動(dòng)器72的輸出78處的電壓可以上至+V_cc，并且可以下至-V_dd，以控制并且限制柵極26處的電壓。柵極驅(qū)動(dòng)器72可以具有輸出電阻R_G(未示出)。柵極26處的功率電子開關(guān)18的輸入電阻可以非常高，尤其是在IGBT 40的情況下，因?yàn)槠鋿艠O26實(shí)際上包括輸入電阻可以看作無限的MOSFET柵極。然而，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器72在+V_cc與–V_dd之間交變時(shí)，寄生電容36和38的存在使得電流I_on和I_off從輸出78流過此處。柵極驅(qū)動(dòng)器72電壓+V_cc和V_dd以及柵極驅(qū)動(dòng)器72的輸出電阻(R_G)(若存在)和寄生電容36和38所形成的阻抗確定電流I_on和I_off的值和波形。

在圖5上，當(dāng)?shù)撞抗β孰娮娱_關(guān)18閉合時(shí)，流過底部功率電子開關(guān)18以及底部發(fā)射極寄生電感30的電流I_igbt實(shí)質(zhì)上等于I_out 11。此時(shí)，I_out 11在如圖5所示的方向上流動(dòng)。當(dāng)?shù)撞抗β孰娮娱_關(guān)18關(guān)斷時(shí)，電流I_igbt(實(shí)質(zhì)上)快速地減少到零。

當(dāng)功率電子開關(guān)18之一接通或關(guān)斷時(shí)，流過此處的電流I_igbt以很快的速率增加或消失。根據(jù)公知公式(1)，表示為di/dt的I_igbt的這些變化生成穿過其發(fā)射極電感30的電壓：

其中，V_L是穿過電感所產(chǎn)生的電壓，L是電感值。

對于功率電子開關(guān)18中的每一個(gè)，穿過發(fā)射極寄生電感30生成電壓V_Le。在圖5上，當(dāng)I_igbt電流非常快速地消失時(shí)，穿過包括集電極電感33和發(fā)射極電感30的高頻環(huán)路電感示出的極性反映在功率電子開關(guān)18的關(guān)斷時(shí)所獲得的電壓，di/dt因此取得負(fù)值。在功率電子開關(guān)18的接通時(shí)，穿過包括集電極電感33和發(fā)射極電感30的高頻環(huán)路電感的電壓處于相反方向上。

可以觀測到，可以構(gòu)建具有與IGBT支路70相似結(jié)構(gòu)的MOSFET支路，在此情況下，功率電子開關(guān)18包括替代IGBT的一對MOSFET。

返回參照圖2，這些電壓V_Ls和V_Le與來自電壓源12的V_bus串聯(lián)。當(dāng)功率電子開關(guān)18關(guān)斷時(shí)，集電極22到發(fā)射極24電壓增加，直到續(xù)流二極管16接通。此時(shí)，V_bus、V_Ls和V_Le的相加產(chǎn)生功率電子開關(guān)18的集電極22與發(fā)射極24之間所施加的重大過壓。相同情況應(yīng)用于圖5的兩個(gè)功率電子開關(guān)18(Q1和Q2)。雖然功率電子開關(guān)關(guān)于操作額定在某電壓電平，但極度過壓可能減少任何功率電子開關(guān)的壽命，由此帶來其過早的故障或甚至破壞設(shè)備。

存在傾向于通過減慢柵極-發(fā)射極電壓的斜率限制穿過功率電子開關(guān)的過壓的解決方案。然而，過度限制過壓可能暗示較長的電流開關(guān)時(shí)間，減少換向單元性能。

因此，需要能夠在不產(chǎn)生不恰當(dāng)?shù)拈_關(guān)延遲的情況下減少在換向單元中的開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的過壓的方法和電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開，提供一種用于驅(qū)動(dòng)換向單元的功率電子開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器。所述柵極驅(qū)動(dòng)器包括：關(guān)斷電流源，連接到所述功率電子開關(guān)的柵極；以及附加電流源，與所述關(guān)斷電流源并聯(lián)，并且被配置為：在所述功率電子開關(guān)的關(guān)斷時(shí)控制所述功率電子開關(guān)的集電極到發(fā)射極電壓的變化。

根據(jù)本公開另一方面，提供一種包括換向單元的電路。所述換向單元包括功率電子開關(guān)，具有集電極、柵極和發(fā)射極。所述集電極與所述柵極之間的絕緣形成寄生電容。所述換向單元還包括續(xù)流二極管、電容器和電感。柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)所述功率電子開關(guān)。所述柵極驅(qū)動(dòng)器包括：關(guān)斷電流源，連接到所述功率電子開關(guān)的所述柵極；以及附加電流源，與所述關(guān)斷電流源并聯(lián)。所述附加電流源被配置為：在所述功率電子開關(guān)的關(guān)斷時(shí)控制集電極到發(fā)射極電壓變化。

根據(jù)本公開又一方面，還提供一種包括具有兩個(gè)換向單元的支路的電路。每個(gè)換向單元具有功率電子開關(guān)。包括接通電流源和關(guān)斷電流源的兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器被配置為：在關(guān)斷并且然后接通所述兩個(gè)功率電子開關(guān)之一的同時(shí)，接通并且然后關(guān)斷所述兩個(gè)功率電子開關(guān)中的另一個(gè)。還包括兩個(gè)附加電流源，每個(gè)附加電流源與所述兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器之一的關(guān)斷電流源并聯(lián)。

本公開的第四方面涉及一種轉(zhuǎn)換器，被配置為：執(zhí)行選自DC到DC轉(zhuǎn)換、DC到AC轉(zhuǎn)換以及AC到DC轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換。所述轉(zhuǎn)換器包括上述電路之一，所述電路具有至少一個(gè)換向單元，其具有功率電子開關(guān)、包括接通電流源和關(guān)斷電流源以及與所述關(guān)斷電流源并聯(lián)的附加電流源的柵極驅(qū)動(dòng)器。

在閱讀參照附圖僅通過示例的方式給出的的其說明性實(shí)施例的以下非限定性描述時(shí)，前述和其它特征將變得更清楚。

附圖說明

參照附圖，僅通過示例的方式將描述本公開的實(shí)施例，其中：

圖1是帶有電壓源和電流負(fù)載的具有單個(gè)功率電子開關(guān)以及單個(gè)續(xù)流二極管的傳統(tǒng)換向單元的理想電路圖；

圖2是示出寄生電感和電容的圖1的傳統(tǒng)換向單元的另一電路圖；

圖3是典型IGBT的等效電路的說明；

圖4是示出作為柵極電阻值的函數(shù)的IGBT的開關(guān)損耗的示例的圖線；

圖5是具有一對功率電子開關(guān)并且進(jìn)一步示出柵極驅(qū)動(dòng)器的傳統(tǒng)IGBT支路的電路圖；

圖6是根據(jù)實(shí)施例的具有用于控制穿過換向單元的IGBT的電壓變化的附加電容器的柵極驅(qū)動(dòng)器的電路圖；

圖7a和圖7b示出可以用作圖6的柵極驅(qū)動(dòng)器的部分的電流源的兩個(gè)示例；

圖8是示出IGBT的寄生電容的非線性的圖線；

圖9是示出在沒有外部電容器的情況下使用具有單個(gè)關(guān)斷電流源的柵極驅(qū)動(dòng)器在關(guān)斷時(shí)的高電壓IGBT的典型波形的圖線；以及

圖10是示出在外部電容器的情況下使用圖6的柵極驅(qū)動(dòng)器在關(guān)斷時(shí)的高電壓IGBT的預(yù)測波形的圖線。

相同標(biāo)號在各個(gè)附圖上表示相同特征。

具體實(shí)施方式

本公開的各個(gè)方面通常解決在關(guān)斷之時(shí)換向單元中出現(xiàn)的過壓的問題以及在接通之時(shí)換向單元中出現(xiàn)的過度恢復(fù)電流的問題中的一個(gè)或多個(gè)。一般而言，當(dāng)過壓和過度恢復(fù)電流在控制下時(shí)，期望減少功率電子開關(guān)的故障的風(fēng)險(xiǎn)。可以至少部分地通過在換向過程期間將功率電子開關(guān)保持得接近它們的線性區(qū)域?qū)崿F(xiàn)該目的。

在一個(gè)方面中，本公開介紹一種用于驅(qū)動(dòng)包括功率電子開關(guān)的換向單元的柵極驅(qū)動(dòng)器。功率電子開關(guān)具有集電極、柵極以及發(fā)射極。集電極與柵極之間的絕緣形成寄生電容。柵極驅(qū)動(dòng)器被配置作為連接到功率電子開關(guān)的柵極的一對電流源，所述電流源分別提供接通電流和關(guān)斷電流。附加電流源放置得與柵極驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷電流源并聯(lián)，并且被配置為：在功率電子開關(guān)的關(guān)斷時(shí)限制集電極到發(fā)射極電壓變化(dV/dt)。附加電流源的出現(xiàn)在關(guān)斷時(shí)將功率電子開關(guān)保持進(jìn)入其線性操作區(qū)域方面是起作用的。

更詳細(xì)地說，為了控制在關(guān)斷時(shí)穿過功率電子開關(guān)(例如IGBT)的集電極和發(fā)射極的電壓變化，本技術(shù)減慢柵極電壓的變化，從而其保持得稍微小于整個(gè)功率電子開關(guān)的最慢子組件可承受的最大變化速率。

可操作為尤其在IGBT的關(guān)斷時(shí)限制換向單元中的過壓的電路描述于國際專利申請PCT/CA2012/001125和PCT/CA2013/000805中、美國臨時(shí)申請No.61/808,254和No.61/904,038中以及可得自http://www.advbe.com/docs/DeciElec2013-Jean Marc Cyr-TM4.pdf的“Reducing switching losses and increasing IGBT drive efficiency with Reflex^TM gate driver technology”中，其全部由Jean-Marc Cyr等人著作，它們的公開通過引用合并到此。本技術(shù)提供在換向單元的功率電子開關(guān)的關(guān)斷時(shí)減少過壓。在此所提出的解決方案通常與用于限制相對二極管的恢復(fù)電流以及穿過功率電子開關(guān)的過壓的其它解決方案是兼容的。故此，在此所提出的解決方案可以單獨(dú)使用，或與國際專利申請PCT/CA2012/001125和PCT/CA2013/000805中、美國臨時(shí)申請No.61/808,254和61/904,038中以及Jean-Marc Cyr等人的“Reducing switching losses and increasing IGBT drive efficiency with Reflex^TM gate driver technology”中所描述的解決方案組合而使用。

圖6是根據(jù)實(shí)施例的具有用于控制穿過換向單元的IGBT的電壓變化的附加電容器的柵極驅(qū)動(dòng)器的電路圖。附加電容器的存在有助于在開關(guān)過程的集電極到發(fā)射極電壓變化(dV_ce/dt)時(shí)段期間將IGBT保持在其線性區(qū)域中。換向單元100包括功率電子開關(guān)18。并未示出包括續(xù)流二極管、電壓源(例如電容器)以及電流負(fù)載(例如輸出電感)的換向單元100的其它組件，以簡化說明；上文中已經(jīng)介紹這些元件。功率電子開關(guān)18具有集電極22、柵極26以及發(fā)射極24。集電極22與柵極26之間的絕緣形成寄生電容36。圖6所示的柵極驅(qū)動(dòng)器72R包括連接到功率電子開關(guān)18的柵極26的接通電流源80和關(guān)斷電流源82。接通電流源80在功率電子開關(guān)18的接通時(shí)提供接通電流I_on。關(guān)斷電流源82在功率電子開關(guān)18的關(guān)斷時(shí)提供關(guān)斷電流I_off。附加電流源(如下所述)放置得與柵極驅(qū)動(dòng)器72R的電流源80、82并聯(lián)，并且被配置為：在功率電子開關(guān)18的關(guān)斷時(shí)限制集電極到發(fā)射極電壓變化dV_ce/dt。附加電流源的出現(xiàn)在功率電子開關(guān)18的接通時(shí)并不帶來顯著影響，因?yàn)閐V_ce/dt主要受續(xù)流二極管以及續(xù)流二極管的寄生電容器(包括與該續(xù)流二極管并聯(lián)的相對功率電子開關(guān)的集電極到發(fā)射極電容器)以及功率電子開關(guān)的集電極到發(fā)射極電容器(包括與之并聯(lián)的續(xù)流二極管電容器)的恢復(fù)電流驅(qū)動(dòng)。

柵極驅(qū)動(dòng)器72R內(nèi)的附加電流源的出現(xiàn)減慢在功率電子開關(guān)18的關(guān)斷時(shí)柵極到發(fā)射極電壓V_ge并且因此集電極到發(fā)射極電壓V_ce的改變。這樣有助于當(dāng)集電極到發(fā)射極電壓V_ce增加時(shí)將功率電子開關(guān)18保持在其線性區(qū)域中。并非限制，可以通過在集電極22與柵極26之間將外部電容器102與寄生電容36并聯(lián)連接構(gòu)造附加電流源?？梢允褂霉?2)確定外部電容器102的值C_ext：

其中：

C_ext是外部電容器102的值；

I_off是在關(guān)斷時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)器72R所提供的電流；

dV_cg/dt是集電極到柵極電壓V_cg的期望的最大變化；以及

C_res是集電極22與柵極26之間的寄生電容36的值。

如以下所表示的那樣，C_res的值作為IGBT的集電極到發(fā)射極電壓的函數(shù)而變化。當(dāng)C_res處于其最小值時(shí)，在高集電極到發(fā)射極電壓時(shí)，應(yīng)使用公式(2)計(jì)算外部電容器的值C_ext。

圖6示出大地基準(zhǔn)104。結(jié)合大地基準(zhǔn)104定義柵極驅(qū)動(dòng)器72R的電壓+V_cc和-V_dd。

圖7a和圖7b示出可以用作圖6的柵極驅(qū)動(dòng)器的部分的電流源的兩個(gè)示例。柵極驅(qū)動(dòng)器72R1(圖7a)和72R2(圖7b)是圖6的柵極驅(qū)動(dòng)器72R的變形。柵極驅(qū)動(dòng)器72R1和72R2都包括以放置得與功率電子開關(guān)18的(其它附圖所示的)寄生電容36并聯(lián)的外部電容器102形成的附加電流源。

電流源的另一示例可以包括具有值R_G的簡單柵極電阻器。該電流源的性能受隨著功率開關(guān)中循環(huán)的電流改變的V_ge(th)的變化影響?？梢允褂霉?3)確定在關(guān)斷時(shí)柵極電阻器所提供的電流源I_off：

其中：

-V_dd是在關(guān)斷時(shí)施加到柵極驅(qū)動(dòng)器72R的關(guān)斷電流源82的電壓；

V_Le是發(fā)射極電感30上的電壓；

V_ge(th)是功率電子開關(guān)18的柵極發(fā)射極閾值電壓；以及

R_G是當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)器運(yùn)作為電流源時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)器72R的輸出電阻值。

在加入附加電流源于在任何換向單元的關(guān)斷時(shí)控制電壓變化方面可以是有益的同時(shí)，這在功率電子開關(guān)是高電壓高功率電子非線性開關(guān)(例如絕緣柵雙極型晶體管)的情況下是尤其高效的。

雖然圖6示出加入到換向單元100的柵極驅(qū)動(dòng)器的附加電流源102，但包括附加電流源也可應(yīng)用于圖5的IGBT支路70。在此情況下，與柵極驅(qū)動(dòng)器72中的每一個(gè)的現(xiàn)有電流源80、82并聯(lián)加入附加電流源(例如102)。附加電流源102可以是匹配的或不匹配的。并非限制，兩個(gè)附加電流源可以包括實(shí)質(zhì)上相等值的一對外部電容器102，二者放置得與對應(yīng)功率電子開關(guān)18的集電極到柵極電容36并聯(lián)。

圖8是示出IGBT的寄生電容的非線性的圖線。該圖線示出集電極到柵極寄生電容36(C_res)、柵極到發(fā)射極寄生電容38(C_ies)以及集電極到發(fā)射極寄生電容(C_oes)的值作為集電極22與發(fā)射極24之間的電壓V_ce的函數(shù)如何變化。IGBT的寄生電容器是深度非線性的，如圖8的圖線的對數(shù)垂直圖例所表明的那樣。當(dāng)穿過集電極22與發(fā)射極24之間所形成的絕緣勢壘的電壓V_ce很低時(shí)，電容值相當(dāng)高。當(dāng)電壓V_ce很高時(shí)，電容值大大減少。為此，因?yàn)楫?dāng)IGBT經(jīng)受高集電極到發(fā)射極電壓V_ce時(shí)寄生電容36的值C_res很小，所以在柵極26中注入如本公開中所教導(dǎo)的那樣所計(jì)算的電流的外部電容器102的加入允許將IGBT保持在其線性區(qū)域中，而不在集電極到發(fā)射極電壓V_ce的低值時(shí)產(chǎn)生顯著影響。

流到IGBT的集電極和發(fā)射極中的電流的變化產(chǎn)生穿過發(fā)射極電感30的電壓V_Le。在dV_ce/dt期間，電流在IGBT的輸出電容器C_oes中循環(huán)。因?yàn)樗尤氲碾娏髟磳V_ce/dt限制為固定預(yù)定值，所以實(shí)際上穿過發(fā)射極電感30(L_e)不產(chǎn)生電壓。雖然V_Le以圖6所指示的極性加入到電源電壓源，但該值接近零。如果柵極電阻器用作電流源，則考慮公式(3)，可以觀測到，V_Le限制在關(guān)斷時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)器72R所提供的電流I_off的電壓。在集電極到柵極寄生電容36中循環(huán)的電流(稱為“Miller電流”)以及在外部電容器102中循環(huán)的電流保持為低值，減少因加入外部電容器102所產(chǎn)生的開關(guān)損耗。在一些實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，外部電容器102的優(yōu)化值處于集電極到柵極寄生電容36的最小值的量值的量級上，在此情況下，加入外部電容器102對柵極驅(qū)動(dòng)器72R中的能量耗散的影響并不顯著。

圖9是示出在沒有外部電容器的情況下使用具有單個(gè)關(guān)斷電流源的柵極驅(qū)動(dòng)器在關(guān)斷時(shí)的高電壓IGBT的典型波形的圖線。圖10是示出在外部電容器的情況下使用圖6的柵極驅(qū)動(dòng)器在關(guān)斷時(shí)的高電壓IGBT的預(yù)測波形的圖線。這兩幅圖使用發(fā)射極電感30以限制過壓。圖6的柵極驅(qū)動(dòng)器包括穿過外部電容器102的dV_ce/dt所產(chǎn)生的附加電流源。圖9和圖10在它們的垂直(電壓)軸和水平(時(shí)間)軸上使用相等的圖例。比較圖9和圖10的圖線，兩條圖線示出在IGBT的關(guān)斷時(shí)的集電極到發(fā)射極電壓V_ce的快速增加110。這兩條圖線示出，V_ce最終到達(dá)平穩(wěn)期114或116，然后當(dāng)開關(guān)過程完成時(shí)到達(dá)等于DC電壓V_bus的穩(wěn)定電平120。然而，在沒有圖6的附加電流源的情況下，圖9示出在領(lǐng)先于穩(wěn)定電平120的平穩(wěn)期114之前在快速增加110的結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的V_ce的高過壓峰值112。在圖9的情況下，可以觀測到，IGBT的等效輸入MOSFET在關(guān)斷時(shí)在集電極到發(fā)射極電壓上升期間離開其線性區(qū)域。集電極與發(fā)射極之間的高過壓峰值112V_ce因柵極到發(fā)射極電壓V_ge的延遲而產(chǎn)生，然后返回到其線性區(qū)域中。與之對比，如圖10所示，領(lǐng)先于穩(wěn)定電平120的下平穩(wěn)期116消除并且替代高過壓峰值112。IGBT在關(guān)斷時(shí)在整個(gè)開關(guān)過程期間停留在其線性區(qū)域中。差別源于通過在dV/dt期間生成電流的外部電容器102所構(gòu)建的圖6的附加電流源的存在，其有助于消除柵極到發(fā)射極電壓V_ge上的延遲，將柵極到發(fā)射極電壓V_ge保持在其線性區(qū)域中。并非限制本公開，圖9和圖10的示例示出大約600伏特的總線電壓V_bus，集電極到發(fā)射極電壓V_ce的快速增加110具有大約100μ秒至150μ秒的持續(xù)期。

前面提供可應(yīng)用于可以用在包括DC-DC轉(zhuǎn)換器以及DC-AC轉(zhuǎn)換器或AC-DC轉(zhuǎn)換器中的半導(dǎo)體的全部支路的任何配置中的換向單元以將例如交變電流提供給所連接的負(fù)載(例如電車的電機(jī))的解決方案的描述。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，柵極驅(qū)動(dòng)器和電路的描述僅是說明性的，而非意圖以任何方式進(jìn)行限制。其它實(shí)施例將容易地對具有本公開的益處的本領(lǐng)域技術(shù)人員建議它們自身。此外，所公開的柵極驅(qū)動(dòng)器和電路可以定制為提供對在換向單元中的開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的過壓的現(xiàn)有需求以及問題的有價(jià)值的解決方案。

為了清楚，在此并未示出并且描述柵極驅(qū)動(dòng)器和電路的實(shí)現(xiàn)方式的所有常規(guī)特征。當(dāng)然，應(yīng)理解，在柵極驅(qū)動(dòng)器和電路的任何這樣的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式的開發(fā)中，可能需要進(jìn)行大量實(shí)現(xiàn)方式特定的判斷，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目的(例如與和應(yīng)用、系統(tǒng)和商業(yè)有關(guān)的約束的順應(yīng)性)，并且這些特定目的將隨著實(shí)現(xiàn)方式并且隨著開發(fā)者而變化。此外，應(yīng)理解，開發(fā)努力可能是復(fù)雜并且耗時(shí)的，但對于具有本公開的益處的功率電子領(lǐng)域的技術(shù)人員將絕非是承攬工程的常規(guī)。

應(yīng)理解，柵極驅(qū)動(dòng)器和電路在其應(yīng)用方面不限于附圖中所示出以及以上所描述的構(gòu)造和部分的細(xì)節(jié)。

所提出的柵極驅(qū)動(dòng)器和電路能夠用于其它實(shí)施例，并且能夠通過各種方式實(shí)踐。還應(yīng)理解，在此所使用的短語或術(shù)語目的是描述而非限制。因此，雖然以上已經(jīng)通過其說明性實(shí)施例的方式描述柵極驅(qū)動(dòng)器和電路，但權(quán)利要求的范圍不應(yīng)限于示例中所闡述的實(shí)施例，而應(yīng)給予與整個(gè)描述一致的最寬泛的解釋。