專利名稱：用于閘流晶體管的柵極驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在穩(wěn)定的狀態(tài)中驅(qū)動GCT(柵極轉(zhuǎn)向斷開)閘流晶體管，GTO(斷開柵極)閘流晶體管，靜電感應(yīng)閘流晶體管(SITH)，或功率晶體管那樣的閘流晶體管率的柵極驅(qū)動器。
已有技術(shù)GCT接通狀態(tài)的柵極電流必要條件GCT和GTO具有類似的接通和接通狀態(tài)的柵極電流必要條件。柵極驅(qū)動器將大的dI/dt和尖頭電流給予接通脈沖，然后，將恒定的DC接通狀態(tài)保持電流給予接通脈沖。柵極驅(qū)動器總是接收在GCT/GTO的接通狀態(tài)中負(fù)的柵極電壓。
為了驅(qū)動GCT導(dǎo)入與GTO的情形不同的新狀況。用于GCT的柵極驅(qū)動器在接通尖頭電流和它的形狀大小方面具有它的特長。GCT時的接通電流的增加(dI/dt)比典型的GTO大10～50倍，又，為了減少接通損耗，選擇大5～10倍的觸發(fā)器尖頭電流。所以，6英寸GCT需要dI/dt＝500A/μs和300A的尖頭電流。
這樣大的尖脈沖，隨著加上上升速度大的陽極電流使GCT安全地接通，另一方面當(dāng)GCT工作伴隨著上升速度小的陽極電流時，為了使GCT維持在接通狀態(tài)，在大的尖脈沖后面需要給予長的脈沖時間。此后，加上與GTO類似的接通狀態(tài)的柵極電流(4英寸或6英寸器件時，約10A)。
不設(shè)置限流器那樣的保護(hù)電路的情形，當(dāng)GCT或GTO的負(fù)載電流的流動方向從前向變化到逆向時，會損傷柵極驅(qū)動器。負(fù)載電流逆方向流動時，負(fù)載電流通過與GCT并聯(lián)設(shè)置的續(xù)流二極管流動。所以GCT的陽極相對于它的陰極變成負(fù)的。由于GCT的寄生二極管，在GCT的柵極上出現(xiàn)負(fù)電位。
此后，當(dāng)負(fù)載電流的流動方向再次從逆向變化到前向時，負(fù)載電流再次通過GCT流動。而且，需要再次確立安全的GCT接通狀態(tài)。
基本上，從GTO工作已經(jīng)很好地知道了這種必要條件。對于更高的開關(guān)頻率設(shè)計GCT電路，結(jié)果，續(xù)流二極管需要對非常大的前向電壓下降作出應(yīng)答，在正常的限流器工作中產(chǎn)生比-5V低的GCT柵極電壓。已有技術(shù)的電路尖頭電流是通過電阻和電容電路從電壓源生成的。為了生成有階躍和快速上升(dI/dt＝500/μs)的大的噴射脈沖，和噴射脈沖后比較長的下降斜率脈沖，需要數(shù)個有復(fù)雜調(diào)整的RC耦合。用這樣的設(shè)計，在6英寸GCT驅(qū)動時總損耗不超過50W。
德國專利申請公開公報第DE3709150號和PCT國際公報第WO9407309公布了使用切換電流源的GTO驅(qū)動器。通過設(shè)置用于形成電流源的電感器，能使余下的能量返回到電源。
用這種方法基本上能夠達(dá)到非常小的損耗?？墒?，為了產(chǎn)生接通脈沖和接通狀態(tài)電流需要4個大電流開關(guān)元件和3個二極管。而且，需要大的斷開尖頭電流通過開關(guān)元件和附加二極管的串聯(lián)連接。這樣的電路不能用于GCT的柵極驅(qū)動器。
美國專利第4791350號公布了作為用于GTO恒定狀態(tài)的電源，使用開關(guān)模式階躍下降電流調(diào)整器的柵極驅(qū)動器。調(diào)整器由開關(guān)和續(xù)流二極管組成，它的輸出端直接與GTO的柵極連接，由有開關(guān)和電阻的其它電路產(chǎn)生大電流脈沖。
美國專利第4791350號提出了用這種方法減少柵極驅(qū)動器損耗的方案。但是，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)的GCT柵極電壓時，不能控制地增加了調(diào)整器的輸出電流。當(dāng)需要超過5A的柵極電流時，進(jìn)一步在調(diào)整器的續(xù)流二極管上發(fā)生大量的損耗。又，大的損耗是由大電流脈沖電阻產(chǎn)生的。
日本專利申請公開公報第H3-97315號和EP專利公報第0416933號公布了解決負(fù)柵極電位持有問題的電路。續(xù)流二極管與負(fù)的電源線連接。電感器由正電源充電。在續(xù)流二極管上，電感器的電荷對負(fù)電源放電。用這種方法，電路能在所有的正和負(fù)的GTO柵極電壓狀態(tài)中穩(wěn)定地工作。
這種電路能夠適用于產(chǎn)生小的柵極電流。但是，當(dāng)柵極電流大時許多能量從正電源轉(zhuǎn)移到負(fù)電源，需要用適當(dāng)?shù)碾姽β史祷仉娐肥惯@部分能量返回到正電源。在GCT情形中，例如，柵極電流Ig約為10A，柵極電壓Vg約為-20V。這時，循環(huán)電功率約為200W。與此對比，根據(jù)這個基準(zhǔn)的有效柵極電功率只有Vg×Ig＝0.6V×10A＝6W。結(jié)果，需要對柵極電流發(fā)生器和電源進(jìn)行非常過度的設(shè)計，甚至在高性能開關(guān)模式電路中也發(fā)生大量的損耗(約20W～40W)。
EP專利公報第893883號公布了用其它方法處理GCT的續(xù)流狀況的柵極驅(qū)動器。構(gòu)成發(fā)射極跟隨器的雙極晶體管限制GCT的負(fù)的柵極電壓時的柵極電流。從電壓脈沖高效率地產(chǎn)生電流。
柵極電流Ig直到2A的情形中，能夠用適當(dāng)?shù)牟考O(shè)計電路。在更大的柵極電流時雙極晶體管的增益下降到20以下。這時，需要大的基極電流，由于更大的VCEsat(電壓Vce的飽和電壓)損耗變大。Ig＝10A時，需要比0.5A大的Ib，在已知的PNP晶體管中VCEsat約為1V。
進(jìn)一步，需要用維持在0.4V以上的GCT柵極電壓維持大的基極電流。而且，在更大的GCT柵極電壓和開路狀態(tài)(不安裝GCT)時，需要進(jìn)行使設(shè)計復(fù)雜或者限制柵極驅(qū)動器性能的折衷。本發(fā)明要解決的課題需要找到為實現(xiàn)大電流GCT驅(qū)動的適當(dāng)?shù)碾娐?。該電路需要以小的損耗產(chǎn)生用于GCT接通的大的尖觸發(fā)電流脈沖，長的觸發(fā)電流軌跡，和大的柵極電流，而且該電路必須能在所有的柵極電壓工作狀態(tài)中安全地工作。
進(jìn)一步，為了能夠成為非常緊湊的經(jīng)濟的解決方法，需要能夠主要用SMD部件和技術(shù)來實現(xiàn)該電路。
用于解決課題的方法本發(fā)明的第1方面涉及通過在接通命令信號存在期間將柵極電流供給閘流晶體管(8)的柵極，驅(qū)動有陽極，陰極和柵極的上述閘流晶體管的柵極驅(qū)動器，上述柵極驅(qū)動器備有對應(yīng)上述接通命令信號的前沿產(chǎn)生接通脈沖的接通脈沖發(fā)生器(2)，上述開始脈沖后立即產(chǎn)生下降斜率電流的下變換器(3)，和具有從上述下變換器向上述閘流晶體管的柵極供給電流，與上述閘流晶體管的柵極連接的MOSFET(403)的限流器，它是在上述閘流晶體管的柵極上對柵極電壓進(jìn)行監(jiān)視，對應(yīng)于上述柵電壓的負(fù)電壓增大使上述MOSFET的內(nèi)部電阻增大的限流器(4)。
本發(fā)明的第2方面涉及本發(fā)明的第1方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器備有產(chǎn)生從上述下變換器生成的電流特性曲線的特性曲線發(fā)生器(310)，根據(jù)上述特性曲線產(chǎn)生傳導(dǎo)脈沖的傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器(311)，響應(yīng)上述傳導(dǎo)脈沖導(dǎo)通來自電源(7)的電流，生成脈沖電流的開關(guān)元件(312)，和使上述脈沖電流平滑化的電感器(314)，上述特性曲線發(fā)生器產(chǎn)生有前沿和前沿后的下降斜率部分的特性曲線，因此，從上述下變換器生成的上述下降斜率電流與上述特性曲線成比例地減少。
本發(fā)明的第3方面涉及本發(fā)明的第2方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器進(jìn)一步備有根據(jù)上述特性曲線產(chǎn)生其它傳導(dǎo)脈沖的其它傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器(321)，響應(yīng)上述其它傳導(dǎo)脈沖導(dǎo)通來自上述電源(7)的電流，生成其它脈沖電流的其它開關(guān)元件(322)，和使上述下降斜率電流增大那樣地對上述其它脈沖電流進(jìn)行平滑化的其它電感器(324)。
本發(fā)明的第4方面涉及本發(fā)明的第2方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器進(jìn)一步備有與上述電感器(314)并聯(lián)設(shè)置的附加電感器(344)，和與上述附加電感器(344)串聯(lián)地設(shè)置的，產(chǎn)生更大的下降斜率電流的附加開關(guān)元件(347)。
本發(fā)明的第5方面涉及本發(fā)明的第2方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器進(jìn)一步備有與上述電感器(314)并聯(lián)地設(shè)置的附加電感器(344)，和與上述附加電感器(344)串聯(lián)地設(shè)置的，產(chǎn)生更大的下降斜率電流的飽和扼流圈元件(356)。
本發(fā)明的第6方面涉及本發(fā)明的第2方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述限流器備有比較在上述下變換器輸出端的輸出電壓(V3)和所定電壓(V401)，上述輸出電壓(V3)比上述所定電壓(V401)小時，對應(yīng)于上述輸出電壓(V3)和上述所定電壓(V401)之間的差生成調(diào)整信號的比較器，上述MOSFET(403)接收上述調(diào)整信號，對應(yīng)于上述調(diào)整信號改變它的內(nèi)部電阻。
本發(fā)明的第7方面涉及本發(fā)明的第6方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述比較器備有運算放大器(402)。
本發(fā)明的第8方面涉及本發(fā)明的第6方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述比較器備有雙極晶體管(412，415，416)。
本發(fā)明的第9方面涉及本發(fā)明的第6方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述限流器進(jìn)一步備有與上述MOSFET并聯(lián)連接的續(xù)流二極管。
本發(fā)明的第10方面涉及本發(fā)明的第1方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述斷開脈沖發(fā)生器(1)備有電容器(205)，與上述電容器并聯(lián)連接的二極管(206)，開關(guān)元件(202)，和扼流圈(204)，生成大的尖脈沖。
本發(fā)明的第11方面涉及本發(fā)明的第1方面記載的柵極驅(qū)動器，它進(jìn)一步備有將低電平偏壓電流供給閘流晶體管的上述柵極的偏壓電流發(fā)生器。
本發(fā)明的第12方面涉及本發(fā)明的第1方面記載的柵極驅(qū)動器，其中上述閘流晶體管(8)是GCT。本發(fā)明的效果本發(fā)明的第1記載的柵極驅(qū)動器實現(xiàn)了用于大功率GCT或RGCT的低損耗并且小型的電路。因為通過使用特性曲線發(fā)生器和開關(guān)元件可以制成低損耗電路，所以能夠生成長的大下降斜率電流。又，也不能使用有大損耗的任何構(gòu)成要素。在限流器內(nèi)的主要電流路徑中的1個或多個MOSFET保護(hù)下變換器內(nèi)的電路構(gòu)成要素。
如果根據(jù)本發(fā)明的第2方面，則通過代替已有的二極管導(dǎo)入受到控制的MOSFET能夠減少在下變換器中的損耗。
如果根據(jù)本發(fā)明的第3方面，則通過對這樣的電流產(chǎn)生經(jīng)過最佳化的其它產(chǎn)生元件，能夠在產(chǎn)生大的下降斜率電流時減少在下變換器中的損耗。
如果根據(jù)本發(fā)明的第4方面，則能夠減少很多電路元件。
如果根據(jù)本發(fā)明的第5方面，則通過用簡單的電路能夠減少很多電路元件。
如果根據(jù)本發(fā)明的第6方面，則限流器在特別負(fù)的GCT柵極偏壓中保護(hù)下變換器中的電路元件。又，能夠在正和負(fù)的柵極偏壓之間圓滑地實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。
如果根據(jù)本發(fā)明的第7方面，則能夠通過使用高頻帶功率運算放大器，用簡單的電路低成本地配置限流器。
如果根據(jù)本發(fā)明的第8方面，則能夠通過使用高頻帶晶體管，用簡單的電路低成本地配置限流器。
如果根據(jù)本發(fā)明的第9方面，則能夠非常低損耗地通過負(fù)的柵極電壓的全部范圍對閘流晶體管的柵極電流進(jìn)行控制。
如果根據(jù)本發(fā)明的第10方面，則能夠通過使用簡單并且小型的電路元件產(chǎn)生接通脈沖。所以，對于低損耗和負(fù)的柵極偏壓能夠?qū)崿F(xiàn)完全的保護(hù)。
如果根據(jù)本發(fā)明的第11方面，則在非常低損耗負(fù)的柵極電壓的全部范圍內(nèi)即便柵極電流很大也能對它進(jìn)行控制。
如果根據(jù)本發(fā)明的第12方面，則能夠急速地并且著實地實現(xiàn)大的負(fù)載電流的開關(guān)。
圖的說明

圖1是用于閘流晶體管的柵極驅(qū)動器的方框圖。
圖2是表示在圖1的方框圖中的主要點觀察到的波形的圖。
圖3是圖1所示的接通脈沖發(fā)生器的電路圖。
圖4是圖1所示的下變換器和限流器的電路圖。
圖5是表示在圖4的電路中的主要點觀察到的波形的圖。
圖6是表示在圖4的下變換器中觀察到的波形的圖。
圖7是圖1所示的偏壓電流發(fā)生器的電路圖。
圖8是第1變形例的電路圖。
圖9是表示在圖8的電路中觀察到的波形的圖。
圖10是第2變形例的電路圖。
圖11是表示在圖10的電路中觀察到的波形的圖。
圖12是第3變形例的電路圖。
圖13是第4變形例的電路圖。
圖14是第5變形例的電路圖。
本發(fā)明的實施形態(tài)參照圖1，圖1表示將大容量開關(guān)元件8驅(qū)動到接通和斷開狀態(tài)的，根據(jù)本發(fā)明的柵極驅(qū)動器的方框圖。本發(fā)明的柵極驅(qū)動器能夠適用于各種類型的開關(guān)元件8，例如，GCT(柵極換向斷開)閘流晶體管，GTO(柵極斷開)閘流晶體管，靜電感應(yīng)閘流晶體管(SITH)，或功率晶體管。但是，本發(fā)明特別適合于與GCT閘流晶體管一起使用。閘流晶體管8具有陽極，陰極和柵極。閘流晶體管8與二極管81并聯(lián)地逆向連接，閘流晶體管8的陽極和陰極分別與二極管81的陰極和陽極連接。進(jìn)一步閘流晶體管8與負(fù)載(圖中未畫出)串聯(lián)連接。
在圖1中，參照數(shù)字1是產(chǎn)生斷開脈沖Ig3的斷開脈沖發(fā)生器，2是產(chǎn)生接通脈沖，即起動脈沖Ig1的接通脈沖發(fā)生器，3是下變換器，4是限流器，5是產(chǎn)生偏壓電流Ig4的脈沖發(fā)生器，9是生成接通命令信號S1的控制器。限流器4與下變換器3關(guān)連地工作，生成持續(xù)電流Ig2。電流Ig1，Ig2，Ig3和Ig4加在一起形成柵極電流Ig。
圖2表示在圖1的柵極驅(qū)動器電路內(nèi)的主要點觀察到的波形。特別是，圖2(a)表示閘流晶體管8的陽極和陰極之間的電壓Vak，圖2(b)表示流過閘流晶體管8的陽極電流Ia，圖2(c)表示流過閘流晶體管8的柵極的柵極電流Ig，圖2(d)表示在閘流晶體管8的柵極上的柵極電壓Vg，而圖2(e)表示由控制器9生成的接通命令信號S1。
如圖2(e)所示，控制器9在期間102～109內(nèi)使閘流晶體管8接通那樣地在起動?xùn)艠O驅(qū)動器的上述期間102～109內(nèi)生成高電平的接通命令信號S1。
如圖2(c)所示，響應(yīng)在期間102內(nèi)接通命令信號S1的前沿，起動接通脈沖發(fā)生器2，在期間102～103，即期間5～30微秒間生成瞬間的內(nèi)高電平電流(起動脈沖)Ig1。起動脈沖Ig1的尖頭電流值為，例如，數(shù)百～1000A。起動脈沖Ig1在柵極電流Ig的真正開始時適用于閘流晶體管8的刪極，使閘流晶體管8接通。
又，如圖2(c)所示，響應(yīng)接通命令信號S1的前沿，下變換器3生成作為持續(xù)電流Ig2的前沿部分的下降斜率電流Ig2。在期間102～104，即10～100微秒內(nèi)生成下降斜率電流Ig2。下降斜率電流在時間102有前沿，在期間102～104有下降斜率部分。在起動脈沖內(nèi)前沿重疊。但是，下降斜率電流在時間103可以有它的前沿。這時，下降斜率部分在時間103～104內(nèi)。供給下降斜率電流，保證甚至在起動脈沖(時間102～103)消失后也使閘流晶體管8維持在它的接通狀態(tài)。
響應(yīng)接通命令信號S1的前沿，脈沖電流發(fā)生器5在例如期間102～109生成有數(shù)百A的脈沖電流Ig4。在圖2(c)中，沒有畫出脈沖電流Ig4。因為它與持續(xù)電流Ig2比較非常小。
如圖2(b)所示，因為與閘流晶體管8連接的負(fù)載的某些急劇變化，陽極電流Ia在時間105急劇地減小到負(fù)值時，逆陽極電流Ia通過二極管81流動，同時使柵極電壓Vg減到小于零。設(shè)置限流器4，甚至柵極電壓Vg減小到小于零時，對加在閘流晶體管8的柵極上的柵極電流Ig如前向偏壓電流那樣地進(jìn)行控制。
下面我們詳細(xì)地說明各個電路1～5。參照圖3，圖3畫出了接通脈沖發(fā)生器2。接通脈沖發(fā)生器2備有觸發(fā)脈沖發(fā)生器201，開關(guān)晶體管202，續(xù)流二極管203，脈沖形成扼流圈204，脈沖電容器205，電容器續(xù)流二極管206，扼流圈207和二極管208。
接通脈沖發(fā)生器2的工作如下所示。第一，用通過扼流圈207和二極管208從有電壓Vb的電源7，將電容器205充電到事先設(shè)定的電壓2Vb。在時間102，響應(yīng)來自控制器9的接通命令信號S1的前沿，具有數(shù)據(jù)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器那樣的脈沖發(fā)生器的觸發(fā)脈沖發(fā)生器201生成有所定脈沖寬度的觸發(fā)脈沖。將觸發(fā)脈沖加到晶體管202。所以，在時間102，晶體管202接通。而且，電容器205與扼流圈204連接，柵極脈沖電流Ig1開始流入閘流晶體管8的柵極。隨著柵極脈沖電流Ig1的增加，電容器205的電壓減小。
電容器205的電壓到達(dá)零時，柵極脈沖電流達(dá)到最大電平。從而，使電容器205和扼流圈204進(jìn)行共振工作那樣地選擇電容器205和扼流圈204，因此，柵極脈沖電流的起動dI/dt和尖頭電流滿足閘流晶體管8的要求條件。從而，在電容器205的放電中，柵極脈沖電流Ig1如圖3所示地沿線A1流動。
電容器205兩端的電壓變成負(fù)時，二極管206導(dǎo)通，如虛線所示的脈沖電流A2流動，共振工作停止。結(jié)果，通過使用脈沖電流A2，使扼流圈204的電流保持在高電平。而且，因為閘流晶體管8的柵極電壓，又因為扼流圈204，開關(guān)晶體管202，和二極管206的損耗，電流A1慢慢地減小。
在所定時間后，觸發(fā)脈沖發(fā)生器201停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，所以使開關(guān)晶體管202斷開。而且，扼流圈電流轉(zhuǎn)換到沿線A3流動，因此，積蓄在扼流圈204中的能量通過續(xù)流二極管203釋放到負(fù)電源中。
存在負(fù)的柵極脈沖電壓時的工作與上述工作非常相似。由于觸發(fā)脈沖發(fā)生器201對晶體管202的觸發(fā)，電容器205放電，扼流圈204積蓄能量。而且，電容器205在放電到0V后，續(xù)流二極管206導(dǎo)通。與負(fù)的柵極脈沖電壓的大小有關(guān)，柵極電流A1慢慢地減小，或隨時間一起增加。在時間103，晶體管202斷開，扼流圈204中的能量釋放到電源6中。
通過小的負(fù)的柵極脈沖電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)電路的安全工作。當(dāng)需要與高速高電壓GCT續(xù)流二極管的情形同樣地處理大的負(fù)的柵極脈沖電壓時，甚至在短的期間(102～103)內(nèi)柵極電流也能夠成為過大的電流。在這種情形中，選擇對于晶體管202的柵極驅(qū)動電壓和它的特性，使它們能夠限制這種過大的電流。結(jié)果，甚至在大的負(fù)的柵極脈沖電壓，也能夠?qū)崿F(xiàn)安全工作。
參照圖4，圖4表示下變換器3和限流器4。首先，我們說明下變換器3。
下變換器3備有特性曲線發(fā)生器310，傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311，F(xiàn)ET312，低損耗肖特基二極管313，電感器314，電流檢測電阻315和二極管316。傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311，F(xiàn)ET312，低損耗肖特基二極管313，電感器314和電流檢測電阻315連接起來，形成低損耗階躍下變換器。
響應(yīng)來自控制器9的接通命令信號，特性曲線發(fā)生器產(chǎn)生特性曲線信號S2，如圖5(d)所示，生成上限信號S2-up和下限信號S2-low。特性曲線信號S2具有在時間102的前沿，在時間102～104之間的下降斜率部分，和在時間104～109之間的恒定電平。用下面說明的方法將上限信號S2-up和下限信號S2-low加到產(chǎn)生圖6(a)所示的傳導(dǎo)脈沖的傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311上。
傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311檢測通過電阻315流動的電流，將該電流電平與上限信號S2-up和下限信號S2-low進(jìn)行比較。當(dāng)電流I315比下限信號S2-low小時，傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311產(chǎn)生傳導(dǎo)脈沖(圖6(a))，驅(qū)動FET312使它進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這樣，來自電源7的電流通過串聯(lián)連接的電感器314，電阻315和FET403加到閘流晶體管8的柵極。通過FET403導(dǎo)通的電流是脈沖電流，但是，在電感器314后被平滑化。結(jié)果，感應(yīng)電壓成為正的，電流I315以由V314和電感器314的電感給出的上升速度增加。
此后，如圖例(b)所示，電流I315增加到上限信號S2-up時，傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311使FET312切換到閉塞狀態(tài)那樣地結(jié)束傳導(dǎo)脈沖。電流I315轉(zhuǎn)換到二極管313一方。使電壓V314逆轉(zhuǎn)，如下式所示。
V314＝-(V3+V313+R315×1315)這里，V3是下變換器3的輸出電壓。而且，電流I315再次向下限信號S2-low減小。
設(shè)定電源7的電壓比Vg大得多。這樣，在FET312導(dǎo)通時使電流I315達(dá)到大的上升速度(dI315/dt)，在二極管313導(dǎo)通時產(chǎn)生小的dI315/dt，產(chǎn)生二極管313的長導(dǎo)通和FET312的短導(dǎo)通。結(jié)果，從電源7引出的平均電流比I315小，能夠用標(biāo)準(zhǔn)的小電源裝置產(chǎn)生電源7。
對于小的接通狀態(tài)電阻值(RDSon)設(shè)定二極管313和FET403。這樣，V313和V403變得比Vg小，同樣地設(shè)定電阻315，甚至在Vg＝0.6V并且I315＝10A時也能夠達(dá)到50％量級的總效率。所以，由下變換器3產(chǎn)生的電流在起動后立即徐徐地減小。
對于大的飽和電流設(shè)定電感器314，而且，因為FET和二極管的特性，產(chǎn)生高電平的電流，能夠在時間103～104之間供給閘流晶體管8的柵極。為了實現(xiàn)它，特性曲線發(fā)生器310增大上限信號S2-up和下限信號S2-low。這樣，也以高的效率產(chǎn)生斜的長脈沖(時間103～104)。我們說明了在時間103～104之間生成斜的長脈沖，但是也能在與起動脈沖(時間102～103)部分地重疊的時間103～104之間生成。
下面我們進(jìn)一步參照圖4說明限流器4。限流器4具有恒定電壓源401，由運算放大器形成的比較器402和p溝道FET403。柵極電壓Vg從負(fù)的陽極電壓(時間105～106)負(fù)極性地引出時，下變換器3的輸出電壓V3也減小。比較器402通過比較下變換器的輸出電壓V3和所定的恒定電壓401，檢測柵極電壓Vg。柵極電壓Vg減小到恒定電壓401以下時，比較器402生成有與使下變換器的輸出電壓減小到比恒定電壓401小的電平成比例的電平的調(diào)整信號。將調(diào)整信號加到FET403的柵極上，結(jié)果，它開始增大內(nèi)部電阻，F(xiàn)ET403兩端的電壓降變大。從而，F(xiàn)ET的輸出側(cè)(與閘流晶體管8的柵極連接的一側(cè))的電壓減小，使它的輸入一側(cè)維持在幾乎相同的電壓上。從而，在閘流晶體管8的柵極上觀察到的電壓降主要被在FET403兩端生成的電壓降吸收，因此，甚至當(dāng)柵極電壓Vg下降到零以下時，如圖5(b)所示，加在FET403輸入側(cè)的電壓V3維持在正的區(qū)域內(nèi)。所以，低損耗的階躍下變換器能繼續(xù)在正常工作狀態(tài)中工作。
從上面所述的可以看到，限流器4監(jiān)視在閘流晶體管8的柵極上的柵極電壓Vg，甚至當(dāng)柵極電壓Vg下降到0V以下時，也能夠維持到閘流晶體管8的柵極的前向偏壓電流。由于限流器4，甚至在陽極電流內(nèi)出現(xiàn)急劇的電流下降時，也能夠使閘流晶體管8維持在接通狀態(tài)。又，因為由于限流器4，柵極電壓Ig維持在前向偏壓電流上，所以最終能夠保護(hù)柵極驅(qū)動器內(nèi)的各種電路，特別是能夠防止下變換器內(nèi)的電路接收逆向偏壓電流。
一但比較器402停止產(chǎn)生高電平信號后，即在柵極電壓Vg從負(fù)變到正的時間106，應(yīng)該注意下降斜率電流的生成。因此，也能將比較器402的輸出加到特性曲線發(fā)生器310上。
與高速續(xù)流二極管的情形相同只有-5V的負(fù)柵極電壓在限流器內(nèi)生成大的損耗。而且，通過附加到柵極電壓的連接，使特性曲線發(fā)生器310起動，減小在這個時間中的特性曲線信號S2。如圖2(c)所示，這造成在105和106之間的期間柵極電流減小和在MOSFET403中的損耗相當(dāng)大地減小。為了由下變換器3設(shè)定這樣小的電流，傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311的讀出放大器需要極高的精度。所以，柵極驅(qū)動器包含偏壓發(fā)生器。而且，用由偏壓發(fā)生器310設(shè)定的小柵極電壓即-2V，將下變換器3的輸出電流設(shè)定在零，由偏壓發(fā)生器維持柵極偏壓電流。參照圖7，圖7畫出了偏壓電流發(fā)生器5。偏壓電流發(fā)生器5具有脈沖發(fā)生器501，開關(guān)晶體管502，二極管503，扼流圈504和電阻505。脈沖發(fā)生器501響應(yīng)由控制器9生成的接通命令信號S1的前沿，在時間102生成脈沖。從而，響應(yīng)來自脈沖發(fā)生器501的脈沖，開關(guān)晶體管502變到接通，通過扼流圈504和電阻505生成加到閘流晶體管8的柵極的正向脈沖。續(xù)流二極管503與電源6的負(fù)電位連接。結(jié)果，偏壓電流發(fā)生器即便在只有電源6的輸出的柵極電壓也能夠維持正常的工作。
變形例1參照圖8，圖8表示第1變形例。下變換器3具有脈沖發(fā)生器310，第1變換器3a和第2變換器3b。第1變換器3a具有傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311，F(xiàn)ET312和317，扼流圈314，電阻315和二極管316。同樣地，第2變換器3b具有傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器321，F(xiàn)ET322和323，扼流圈324和電阻325。
脈沖發(fā)生器310用與上述方法類似的方法生成上限信號S2-up和下限信號S2-low。注意扼流圈324具有等于扼流圈314電感的一半的電感。傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器321只在下降斜率期間(時間102～104)中工作，傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器311在整個接通期間(時間102～109)中工作。除了扼流圈，二極管316和傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器321以外，第1變換器3a內(nèi)的電路元件與第2變換器3b內(nèi)的相同。
所以，如圖9(a)所示，第1變換器3a生成由部分A所示的電流，第2變換器3b生成由部分B所示的電流。因為扼流圈324具有電抗(1/2)L，扼流圈314具有電抗L，所以在部分B的電流也是在部分A的電流的2倍。用圖8的電路，高效率地生成包含電流部分A和B的3倍斜率脈沖(時間103～104)。
變形例2參照圖10，圖10表示第2變形例。變更了下變換器3。與圖4所示的下變換器3比較時，圖10所示的下變換器3代替二極管313具有FET晶體管。其它配置與圖4所示的配置相同。如圖11所示，加在FET319的柵極上的信號具有與加在FET312的柵極上的信號的相位相反的相位。在這個第2變形例中，安裝了同步整流器(FET312和319)，產(chǎn)生長的斜率脈沖電流(時間103～104)。對于FET319選擇低的接通狀態(tài)(RDSon)時，F(xiàn)ET319兩端的電壓V319比圖4的二極管313兩端的電壓小得多(V319＜＜V313)。所以，能夠?qū)崿F(xiàn)顯著地超過50％的得到長斜率脈沖的效率。
變形例3參照圖12，圖12表示第3變形例。變更了下變換器3。與圖10所示的下變換器比較時，圖12所示的下變換器3進(jìn)一步具有扼流圈344，電阻345，二極管346和FET347。FET347的柵極與特性曲線發(fā)生器310連接。FET347受到來自特性曲線發(fā)生器310的控制脈沖的控制，只在斜率期間(時間102～104或103～104)導(dǎo)通。
在圖12所示的變形例中，設(shè)置唯一的同步整流電路(311，312，319)，產(chǎn)生包含圖9所示的電流部分A和B的2倍的長斜率脈沖(時間103～104)。電流部分B由電路元件344，345，346和347產(chǎn)生，為了產(chǎn)生電流部分A和B，共通地使用整流電路(311，312，319)。扼流圈344具有電抗(1/2)L，扼流圈314具有電抗L。我們?nèi)缦碌卣f明電流部分B的產(chǎn)生。
在時間103，F(xiàn)ET347被特性曲線發(fā)生器310導(dǎo)通。因為扼流圈344和電阻345的串聯(lián)連接與扼流圈314和檢測電阻315的串聯(lián)連接并聯(lián)地連接，所以附加電流通過扼流圈344和電阻345的串聯(lián)連接流動。所以，下降斜率電流增加。
在時間104，下降斜率電流達(dá)到穩(wěn)定的偏壓電流。所以，特性曲線發(fā)生器310結(jié)束生成控制脈沖。而且，使FET347斷開。通過二極管346，積蓄在扼流圈344中的能量釋放到正電源7中，通過扼流圈314和檢測電阻315繼續(xù)穩(wěn)定的脈沖電流供給。
變形例4參照圖13，圖13表示第4變形例。變更了下變換器3。圖13所示的下變換器與圖12所示的下變換器非常相似。代替圖12的FET347，設(shè)置飽和扼流圈356。又，在圖13中省去了二極管346。其它電路元件與圖12所示的電路元件相同。我們?nèi)缦碌卣f明它的工作。
在時間102，特性曲線發(fā)生器310通過扼流圈314和扼流圈344使大的DC電流增大那樣地生成大的特性曲線信號S2。而且，扼流圈356由于通過扼流圈344的DC電流而飽和。扼流圈356具有呈現(xiàn)小的飽和電抗值的特長，因此，能量主要積蓄在扼流圈344和314中。結(jié)果，由元件344，345和356生成大量的電流。
在時間104，特性曲線發(fā)生器310結(jié)束生成大的特性曲線信號。設(shè)計扼流圈356使它能夠從這種狀態(tài)中的飽和脫離出來。而且，扼流圈356具有呈現(xiàn)大的飽和電抗值的特長，因此，少量電流通過元件344，345和356流動。這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)產(chǎn)生長斜率脈沖時在檢測電阻315上有低損耗和Ig2有高精度。
變形例5參照圖14，圖14表示第5變形例。變更了限流器4。與圖4所示的限流器4比較時，比較器402置換3個雙極晶體管412，415和416，以及413和414。圖14的限流器4內(nèi)的其它電路元件與圖4的限流器4內(nèi)的那些電路元件相同。我們?nèi)缦碌卣f明它的工作。
晶體管412將它的基極·發(fā)射極閾值與恒定電壓V401和輸入電壓V3之間的電壓差進(jìn)行比較，對電阻414兩端的電壓進(jìn)行控制。晶體管412的基極電壓下降時，晶體管412變到更導(dǎo)通狀態(tài)，使晶體管416的基極電壓增大，從而使晶體管416的發(fā)射極電壓徐徐增大。晶體管416的發(fā)射極電壓起著調(diào)整FET403的內(nèi)部電阻的調(diào)整信號的作用。因為當(dāng)增大調(diào)整信號時，F(xiàn)ET403開始增大內(nèi)部電阻，所以用與圖4有關(guān)的上述方法生成在閘流晶體管8的柵極上的電壓下降的閉塞。這樣，就能夠?qū)崿F(xiàn)非常小型并且經(jīng)濟的限流器。
權(quán)利要求
1.柵極驅(qū)動器，它是通過在接通命令信號存在期間將柵極電流供給閘流晶體管(8)的柵極，驅(qū)動有陽極、陰極和柵極的上述閘流晶體管的柵極驅(qū)動器，它備有響應(yīng)上述命令信號的前沿產(chǎn)生接通脈沖的接通脈沖發(fā)生器(2)，上述開始脈沖后立即產(chǎn)生下降斜率電流的下變換器(3)，和具有從上述下變換器向上述閘流晶體管的柵極供給電流，與上述閘流晶體管的柵極連接的MOSFET(403)的限流器(4)，上述電流限制器在上述閘流晶體管的柵極上對柵極電壓進(jìn)行監(jiān)視，對應(yīng)于上述柵電壓的負(fù)電壓增大使上述MOSFET的內(nèi)部電阻增大。
2.權(quán)利要求項1記載的柵極驅(qū)動器，它備有產(chǎn)生從上述下變換器生成的電流的特性曲線的特性曲線發(fā)生器(310)，根據(jù)上述特性曲線產(chǎn)生傳導(dǎo)脈沖的傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器(311)，響應(yīng)上述傳導(dǎo)脈沖導(dǎo)通來自電源(7)的電流，生成脈沖電流的開關(guān)元件(312)，和使上述脈沖電流平滑化的電感器(314)，上述特性曲線發(fā)生器產(chǎn)生具有前沿和前沿后的下降斜率部分的特性曲線，從上述下變換器生成的上述下降斜率電流與上述特性曲線成比例地減少。
3.權(quán)利要求項2記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器進(jìn)一步備有根據(jù)上述特性曲線產(chǎn)生其它傳導(dǎo)脈沖的其它傳導(dǎo)脈沖發(fā)生器(320)，響應(yīng)上述其它傳導(dǎo)脈沖導(dǎo)通來自上述電源(7)的電流，生成其它脈沖電流的其它開關(guān)元件(322)，和使上述下降斜率電流增大那樣地對上述其它脈沖電流進(jìn)行平滑化的其它電感器(324)。
4.權(quán)利要求項2記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器進(jìn)一步備有與上述電感器(314)并聯(lián)地設(shè)置的附加電感器(344)，和與上述附加電感器(344)串聯(lián)地設(shè)置的，產(chǎn)生更大的下降斜率電流的附加開關(guān)元件(347)。
5.權(quán)利要求項2記載的柵極驅(qū)動器，其中上述下變換器進(jìn)一步備有與上述電感器(314)并聯(lián)地設(shè)置的附加電感器(344)，和與上述附加電感器(344)串聯(lián)地設(shè)置的，產(chǎn)生更大的下降斜率電流的飽和飽和扼流圈元件(356)。
6.權(quán)利要求項1記載的柵極驅(qū)動器，其中上述限流器備有比較在上述下變換器輸出端的輸出電壓(V3)和所定電壓(V401)，上述輸出電壓(V3)比上述所定電壓(V401)小時，對應(yīng)于上述輸出電壓(V3)和上述所定電壓(V401)之間的差生成調(diào)整信號的比較器，上述MOSFET(403)接收上述調(diào)整信號，對應(yīng)于上述調(diào)整信號改變它的內(nèi)部電阻。
7.權(quán)利要求項6記載的柵極驅(qū)動器，其中上述比較器備有運算放大器(402)。
8.權(quán)利要求項6記載的柵極驅(qū)動器，其中上述比較器備有雙極晶體管(412，415，416)。
9.權(quán)利要求項6記載的柵極驅(qū)動器，其中上述限流器進(jìn)一步備有與上述MOSFET并聯(lián)連接的續(xù)流二極管。
10.權(quán)利要求項1記載的柵極驅(qū)動器，其中上述接通脈沖發(fā)生器(1)備有電容器(205)，與上述電容器并聯(lián)連接的二極管(206)，開關(guān)元件(202)，和扼流圈(204)，生成大的尖脈沖。
11.權(quán)利要求項1記載的柵極驅(qū)動器，它進(jìn)一步備有將低電平偏壓電流供給閘流晶體管的上述柵極的偏壓電流發(fā)生器。
12.權(quán)利要求項1記載的柵極驅(qū)動器，其中上述閘流晶體管(8)是GCT。
全文摘要
一種柵極驅(qū)動器,它是通過在接通命令信號存在期間將柵極電流供給閘流晶體管的柵極,驅(qū)動有陽極、陰極和柵極的上述閘流晶體管的柵極驅(qū)動器,它備有響應(yīng)上述命令信號的前沿產(chǎn)生接通脈沖的接通脈沖發(fā)生器,上述開始脈沖后立即產(chǎn)生下降斜率電流的下變換器,和具有從上述下變換器向上述閘流晶體管的柵極供給電流,與上述閘流晶體管的柵極連接的MOSFET的限流器,上述電流限制器在上述閘流晶體管的柵極上對柵極電壓進(jìn)行監(jiān)視,對應(yīng)于上述柵電壓的負(fù)電壓增大使上述MOSFET的內(nèi)部電阻增大。
文檔編號H03K17/04GK1371159SQ01137540
公開日2002年9月25日 申請日期2001年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月27日
發(fā)明者霍斯特·格里寧, 土谷多一郎, 溝畑文雄, 高尾健志 申請人:三菱電機株式會社