專利名稱：開關(guān)元件驅(qū)動裝置及開關(guān)元件驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于適于在開關(guān)元件中檢測到過電流的情況的開
關(guān)元件的驅(qū)動技術(shù)。
背景技術(shù)：
公知有一種在短路時保護(hù)諸如絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)等等 的半導(dǎo)體開關(guān)元件的方法(參見例如，"APPLICATION NOTES", AN-984J (第五頁上的圖5)， IR (國際整流器)協(xié)會)。根據(jù)所描述的保護(hù)方法，如 果發(fā)生例如負(fù)載短路等等的故障，則柵極驅(qū)動電壓快速地降低到特定水平， 然后如果在一個時間段之后，故障持續(xù)存在，則柵極驅(qū)動電壓被切斷。該技 術(shù)旨在減小故障電流因而延長故障驗證期間。然而，在上述現(xiàn)有技術(shù)中，伴隨過電流的檢測的是柵極電壓的快 速下降，而不考慮開關(guān)元件的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，即使當(dāng)過電流在柵極電壓還 沒有充分上升的導(dǎo)通過程的初期被檢測到時，柵極電壓也快速下降。如果當(dāng) 柵極電壓還沒充分上升時柵極電壓就快速下降，則開關(guān)元件被快速關(guān)斷，以 使關(guān)斷浪涌電壓增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了執(zhí)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)操作以免受在完全導(dǎo)通狀態(tài)的過程 中發(fā)生的過電流以及在導(dǎo)通的初期過程中發(fā)生的過電流的開關(guān)元件驅(qū)動裝置 以及開關(guān)元件驅(qū)動方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方案的開關(guān)元件驅(qū)動裝置的特征在于包括過 電流檢測器件，其用于檢測流經(jīng)開關(guān)元件的過電流；第一柵極電壓降低器件， 其用于以比正常關(guān)斷時柵極電壓的下降速率快的速率來降低開關(guān)元件的柵極 電壓；第二柵極電壓降低器件，其用于以比正常關(guān)斷時柵極電壓的下降速率 慢的速率來降低開關(guān)元件的柵極電壓；以及柵極電壓監(jiān)控器件，其用于監(jiān)控 開關(guān)元件的柵極電壓，其中如果當(dāng)過電流被過電流檢測器件檢測到時由柵極電壓監(jiān)控器件判斷出柵極電壓大于預(yù)定值，則柵極電壓通過第一柵極電壓降 低器件來降低，然后在開關(guān)元件保持導(dǎo)通狀態(tài)的同時，柵極電壓通過第二柵 極電壓降低器件來降低，其中如果當(dāng)過電流被過電流檢測器件檢測到時由柵 極電壓監(jiān)控器件判斷出柵極電壓小于或等于預(yù)定值，則柵極電壓僅通過第二 柵極電壓降低器件來降低。根據(jù)本發(fā)明的另一個方案的開關(guān)元件驅(qū)動方法的特征在于當(dāng)流 經(jīng)開關(guān)元件的過電流被檢測到時，如果開關(guān)元件的柵極電壓大于預(yù)定值，則 引起以比正常關(guān)斷時柵極電壓的下降速率快的速率來降低開關(guān)元件的柵極電 壓的快速關(guān)斷操作，然后在開關(guān)元件保持導(dǎo)通狀態(tài)的同時引起以比正常關(guān)斷 時柵極電壓的下降速率慢的速率來降低開關(guān)元件的柵極電壓的慢關(guān)斷操作， 以及，如果當(dāng)流經(jīng)開關(guān)元件的過電流被檢測到時開關(guān)元件的柵極電壓小于或 等于預(yù)定值，則僅通過慢關(guān)斷操作來降低柵極電壓。根據(jù)本發(fā)明的這些方案，能夠執(zhí)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)操作以免受在開關(guān)
元件的完全導(dǎo)通狀態(tài)的過程中發(fā)生的過電流以及在導(dǎo)通的初期過程中發(fā)生的 過電流的影響。


結(jié)合附圖，通過對示例性實施例的下列描述，本發(fā)明的上述以及 進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中，相似的附圖標(biāo)記用于表
示相似的元件，并且其中
圖1為表示根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)元件驅(qū)動裝置的實施例的圖2為表示當(dāng)電力元件10通過超過柵極電阻Rn的柵極電阻來關(guān)斷時的
運行情況的圖3為表示在電力元件10完全導(dǎo)通的同時過電流流動的情況下的保護(hù)操 作的圖4為表示在電力元件10正在導(dǎo)通的同時過電流流動的情況下的相關(guān)技 術(shù)領(lǐng)域的保護(hù)操作的圖5為表示在電力元件10正在導(dǎo)通的同時過電流流動時根據(jù)本發(fā)明的實 施例的保護(hù)操作的圖6表示電力元件10的Ice-Vce靜態(tài)特性；以及
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)元件驅(qū)動方法的實施例。
具體實施例方式以下，將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明的示例性實施例。圖1為表示根 據(jù)本發(fā)明的開關(guān)元件驅(qū)動裝置的實施例的圖。所述實施例的開關(guān)元件驅(qū)動裝 置驅(qū)動例如絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、電力MOSFET等等(以下，稱為 "電力元件10")的電壓驅(qū)動型半導(dǎo)體開關(guān)元件。所述實施例的開關(guān)元件驅(qū) 動電路包括導(dǎo)通晶體管P-Tr,例如作為用于導(dǎo)通電力元件10的器件的p-溝 道FET等等，并且還包括關(guān)斷晶體管N-Tr,例如作為用于關(guān)斷電力元件10 的器件的n-溝道FET等等。以下，導(dǎo)通晶體管P-Tr將被稱為"晶體管PTr"， 而關(guān)斷晶體管N-Tr將被稱為"晶體管NTr"。當(dāng)本實施例的開關(guān)元件驅(qū)動電路的控制電路30從例如微型計算機(jī) 等等的外部設(shè)備接收到導(dǎo)通電力元件10的指令時，控制電路30導(dǎo)通晶體管 PTr并且關(guān)斷晶體管NTr。當(dāng)晶體管PTr被導(dǎo)通并且晶體管NTr被關(guān)斷時， 電力元件10的柵極經(jīng)由晶體管PTr以及柵極電阻Rp被電源27充電。如果 電力元件10的柵極的充電量大于預(yù)定值，則電力元件10被導(dǎo)通。另一方面，如果控制電路30從例如微型計算機(jī)等等的外部設(shè)備接 收到關(guān)斷電力元件10的指令，則控制電路30關(guān)斷晶體管PTr并且導(dǎo)通晶體 管NTr。當(dāng)晶體管PTr被關(guān)斷并且晶體管NTr被導(dǎo)通時，電力元件10的柵極 的電荷經(jīng)由晶體管NTr和柵極電阻Rn來釋放。當(dāng)電力元件10的柵極的充電 量小于或等于預(yù)定值時，電力元件10關(guān)斷。此外，本實施例的開關(guān)元件驅(qū)動電路包括過電流檢測器件26，其 用于通過電力元件10來檢測過電流以便防止可能在過電流流經(jīng)電力元件10 時由于例如負(fù)載短路等等的故障而發(fā)生的電力元件10或其外圍電路的損壞。 過電流檢測器件26通過靈敏絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)系統(tǒng)、分流電阻 系統(tǒng)等等來檢測過電流。在靈敏IGBT系統(tǒng)中，流經(jīng)電力元件10的主電流基 于通過連接到靈敏IGBT的發(fā)射器(或連接到源極)的靈敏電阻的電壓來檢 測。在分流電阻系統(tǒng)中，流經(jīng)電力元件10的主電流基于通過串聯(lián)插入主電流 流經(jīng)的路徑的分流電阻產(chǎn)生的電壓來檢測。靈敏電阻或分流電阻的電壓通過 比較器與參考電壓進(jìn)行比較。如果靈敏電阻或分流電阻的電壓高于參考電壓， 則可以認(rèn)為檢測到的主電流過高，也就是說，過電流正在流經(jīng)電力元件IO。當(dāng)過電流檢測器件26檢測到過電流時，流經(jīng)電力元件10的電流 Ice比沒有檢測到過電流的正常情況大。在這種情況中，如果電力元件10以與正常情況相同的方式，即如上所述通過導(dǎo)通晶體管NTr來被關(guān)斷，則通過 電力元件10的比正常大的電流Ice帶來較大的電流變化率"dlce/dt"，電流變 化率"dlce/dt"引起了比正常關(guān)斷時大的作為與導(dǎo)線、驅(qū)動對象負(fù)載等等的 電感L的乘積的"L*dlce/dt"的浪涌電壓。這種關(guān)斷浪涌電壓由于超過其耐 電壓而可能損壞電力元件10或其外圍電路。為了減小可能損壞電力元件IO或其外圍電路的這種關(guān)斷浪涌，當(dāng) 過電流被過電流檢測器件26檢測到時，可以通過經(jīng)由比連接在電力元件10 的柵極與晶體管NTr之間的柵極電阻Rn大的柵極電阻而使電力元件10的柵 極放電來關(guān)斷電力元件10。因此，由于更大的柵極電阻，放電時間被增加， 這減小了電流的變化率"dlce/dt"。圖2為表示當(dāng)經(jīng)由比柵極電阻Rn大的柵 極電阻來關(guān)斷電力元件10時的運行情況的圖。然而，如圖2所示，由于較大 的柵極電阻增加了關(guān)斷時間，所以經(jīng)由比柵極電阻Rn大的柵極電阻來關(guān)斷 電力元件10導(dǎo)致增加的關(guān)斷損耗，并且可能通過熱而使電力元件10損壞。因此，為了抑制關(guān)斷浪涌以及關(guān)斷損耗的增加，電力元件10的關(guān) 斷的控制分為多個階段。在所述實施例的開關(guān)元件驅(qū)動裝置中，電力元件IO 的關(guān)斷分為兩個階段第一步和第二步。本實施例的開關(guān)元件驅(qū)動裝置包括 在第一步中工作的例如n-溝道FET等等的過電流時關(guān)斷用OC-Trl (過電流 晶體管)，以及在第二步中工作的例如n-溝道FET等等的過電流晶體管 0C-Tr2。如果過電流被過電流檢測器件26檢測到，則過電流晶體管OC-Trl 和過電流晶體管OC-Tr2釋放電力元件10的柵極的電荷。以下，過電流晶體 管OC-Trl將稱為"晶體管OCTrl"，而過電流晶體管OC-Tr2將稱為"晶體 管OCTr2"。如果過電流檢測器件26檢測到過電流，則所述實施例的開關(guān)元件 驅(qū)動電路的控制電路30操作晶體管OCTrl作為第一步，以使電力元件10的 柵極的電荷經(jīng)由柵極電阻Rocl來釋放，并且因此柵極電壓Vge快速地下降 到不低于電力元件10變得完全關(guān)斷時的閾值電壓的電壓。為了使柵極電壓 Vge的下降比正常關(guān)斷的情況更快，使得柵極電阻Rocl的電阻值小于柵極 電阻Rn的電阻值。這樣，圖6中示出的電力元件10的Ice-Vce靜態(tài)特性上 的工作點從P1點移動至P2點，以使流經(jīng)電力元件10的電流Ice的峰值電流 被抑制并且關(guān)斷損耗被減小。為了使電力元件10的柵極電壓Vge的下降停 止在不低于電力元件10變得完全關(guān)斷時的閾值電壓，可以采取多種措施。例
7如，可以使用定時器等等以使電壓的下降在經(jīng)過固定時間后停止，或可以同
時導(dǎo)通晶體管PTr和晶體管OCTrl,以使柵極電壓Vge變?yōu)橛呻娮鑂p和電 阻Rocl確定的電源電壓27的分壓值。在第一步中抑制電流Ice的峰值電流達(dá)一定時間以后，所述實施例 的開關(guān)元件驅(qū)動電路的控制電路30關(guān)斷在第一步中工作的晶體管OCTrl， 然后在第二步中導(dǎo)通晶體管OCTr2。通過導(dǎo)通晶體管OCTr2，電力元件10 的柵極的電荷經(jīng)由晶體管OCTr2和柵極電阻Roc2釋放以緩慢地減小電力元 件10的柵極電壓。為了比正常關(guān)斷的情況更緩慢地減小柵極電壓Vge，使得 柵極電阻Roc2的阻值大于柵極電阻Rn的阻值。這樣，如圖3所示，電力元 件10經(jīng)受慢關(guān)斷操作，以便關(guān)斷浪涌電壓的增加被抑制而不引起大的電流變 化率"dlce/dt"。然而，當(dāng)過電流在電力元件10的柵極電壓Vge在導(dǎo)通過程中充分 上升之前被過電流檢測器件26檢測到時，經(jīng)由柵極電阻Rocl比正?？斓蒯?放電力元件10的柵極的電荷的操作晶體管OCTrl的第一步將導(dǎo)致還沒有充 分上升的柵極電壓Vge由于電力元件10的完全關(guān)斷而減小到閾值電壓以下 的電壓的情況，也就是說，晶體管OCTrl的工作將關(guān)斷電力元件10而不是 抑制峰值電流。因此，如圖4所示，關(guān)斷浪涌電壓將增加，所以電力元件10 的預(yù)期保護(hù)是不可能的。為了避免這點，如果柵極電壓Vge小于或等于預(yù)定的監(jiān)控電壓， 則所述實施例的開關(guān)元件驅(qū)動電路監(jiān)控柵極電壓Vge，并且僅執(zhí)行第二步操 作而不執(zhí)行第一步操作。因此，如圖5所示，當(dāng)過電流在電力元件10的柵極 電壓Vge在導(dǎo)通的過程中充分上升之前被過電流檢測器件26檢測到時，不 會使電力元件10經(jīng)受快速關(guān)斷操作而是使其經(jīng)受慢關(guān)斷操作，以使關(guān)斷浪涌 電壓的增加能夠被抑制。這時，因為通過電力元件10的電流Ice仍然小，關(guān) 斷損耗充分小于過電流在完全導(dǎo)通狀態(tài)的過程中被檢測到的情況。因此，可 靠地實現(xiàn)了電力元件10的預(yù)期保護(hù)。附帶地，關(guān)斷浪涌電壓的幅值和關(guān)斷損耗變化的幅值根據(jù)由電力 元件10驅(qū)動的負(fù)載等等的電感以及各種電路元件的電阻常數(shù)和寄生電容而 變化。因此，用于判斷是否執(zhí)行第一步操作以及第二步操作的預(yù)定監(jiān)控電壓 應(yīng)該通過根據(jù)作為保護(hù)對象的開關(guān)驅(qū)動電路的仿真來判斷。作為其最低要求， 監(jiān)控電壓為大于電力元件10開始導(dǎo)通的柵極電壓，并且小于電力元件10開
8始完全導(dǎo)通的柵極電壓的值。例如，在電力元件10開始導(dǎo)通的柵極電壓為
5V而電力元件10開始完全導(dǎo)通的柵極電壓為15V的情況中，監(jiān)控電壓可以 被適當(dāng)?shù)卦O(shè)定為8至12V。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)元件驅(qū)動方法的實施例。如果過電 流被過電流檢測器件26檢測到(步驟10)，則控制電路30基于柵極電壓是 否小于或等于預(yù)定值來改變降低柵極電壓的方法(步驟S20)。如果柵極電壓 沒有小于或等于預(yù)定值，則假定電力元件10完全導(dǎo)通，并且控制電路30執(zhí) 行第一步操作，然后是第二步操作(步驟S30和步驟S40)。另一方面，如果 柵極電壓小于或等于預(yù)定值，則假定電力元件沒有完全導(dǎo)通，控制電路30 僅執(zhí)行第二步操作(S50)。因此，根據(jù)上述實施例，當(dāng)已經(jīng)發(fā)生了電力元件的過電流故障而 由于增大的關(guān)斷浪涌電壓或增大的關(guān)斷損耗沒有損壞電力元件等等時，為了 關(guān)斷電力元件而執(zhí)行第一步操作和第二步操作。然而，當(dāng)過電流在電力元件 的導(dǎo)通過程中被檢測到時，不執(zhí)行第一步的操作，而僅執(zhí)行第二步的操作。 因此，關(guān)斷浪涌電壓的增大以及關(guān)斷損耗的增大都被抑制，并且不管是在電 力元件的導(dǎo)通過程的初期還是在完全導(dǎo)通狀態(tài)等等的過程中都穩(wěn)定地執(zhí)行免 受過電流影響的保護(hù)操作。雖然已經(jīng)結(jié)合示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)該理解的 是，本發(fā)明不局限于所描述的實施例或構(gòu)造。與此相反，本發(fā)明旨在覆蓋各 種改進(jìn)以及等同結(jié)構(gòu)。另外，雖然在多種組合和結(jié)構(gòu)中示出了示例性實施例 的多種元件，但是包括更多、更少或僅有單個元件的其它組合和結(jié)構(gòu)也在本 發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種開關(guān)元件驅(qū)動裝置，其特征在于包括過電流檢測器件，其用于檢測流經(jīng)開關(guān)元件的過電流；柵極電壓監(jiān)控器件，其用于監(jiān)控所述開關(guān)元件的柵極電壓；第一柵極電壓降低器件，其用于以比正常關(guān)斷時所述柵極電壓的下降速率快的速率來降低所述開關(guān)元件的所述柵極電壓；第二柵極電壓降低器件，其用于以比所述正常關(guān)斷時所述柵極電壓的所述下降速率慢的速率來降低所述開關(guān)元件的所述柵極電壓；以及控制裝置，當(dāng)所述過電流檢測器件檢測到所述過電流時，如果通過所述柵極電壓監(jiān)控器件判斷出所述柵極電壓大于預(yù)定電壓，則所述控制裝置通過所述第一柵極電壓降低器件來降低所述柵極電壓，然后在所述開關(guān)元件保持導(dǎo)通時通過所述第二柵極電壓降低器件來降低所述柵極電壓，而當(dāng)所述過電流檢測器件檢測到所述過電流時，如果通過所述柵極電壓監(jiān)控器件判斷出所述柵極電壓小于或等于所述預(yù)定值，則所述控制裝置僅通過所述第二柵極電壓降低器件來降低所述柵極電壓。
2、 一種開關(guān)元件驅(qū)動方法，其特征在于包括 檢測流經(jīng)開關(guān)元件的過電流；如果檢測到流經(jīng)所述開關(guān)元件的過電流，則檢測所述開關(guān)元件的柵極電壓；如果檢測到的所述開關(guān)元件的柵極電壓大于預(yù)定值，則引起以比正常關(guān) 斷時所述柵極電壓的所述下降速率快的速率來降低所述開關(guān)元件的所述柵極 電壓的快速關(guān)斷操作，并且，然后在所述開關(guān)元件保持導(dǎo)通狀態(tài)時引起以比 所述正常關(guān)斷時所述柵極電壓的所述下降速率慢的速率來降低所述開關(guān)元件 的所述柵極電壓的慢關(guān)斷操作；以及如果檢測到的所述開關(guān)元件的柵極電壓小于或等于所述預(yù)定值，則僅通 過所述慢關(guān)斷操作來降低所述柵極電壓。
3、 一種開關(guān)元件驅(qū)動裝置，包括 過電流檢測裝置，其檢測流經(jīng)開關(guān)元件的過電流； 柵極電壓監(jiān)控裝置，其監(jiān)控所述開關(guān)元件的柵極電壓；第一柵極電壓降低裝置，其以比正常關(guān)斷時所述柵極電壓的下降速率快 的速率來降低所述開關(guān)元件的所述柵極電壓；第二柵極電壓降低裝置，其以比所述正常關(guān)斷時所述柵極電壓的所述下 降速率慢的速率來降低所述開關(guān)元件的所述柵極電壓；以及控制裝置，當(dāng)所述過電流檢測裝置檢測到所述過電流時，如果通過所述 柵極電壓監(jiān)控裝置判斷出所述柵極電壓大于預(yù)定電壓，則所述控制裝置通過 所述第一柵極電壓降低裝置來降低所述柵極電壓，然后在所述開關(guān)元件保持 導(dǎo)通時通過所述第二柵極電壓降低裝置來降低所述柵極電壓，而當(dāng)所述過電 流檢測裝置檢測到所述過電流時，如果通過所述柵極電壓監(jiān)控裝置判斷出所 述柵極電壓小于或等于所述預(yù)定值，則所述控制裝置僅通過所述第二柵極電 壓降低裝置來降低所述柵極電壓。
全文摘要
一種開關(guān)元件驅(qū)動裝置，具有以比正常關(guān)斷的過程中快的速率來降低電力元件(10)的柵極電壓的第一晶體管(24)，以及以比正常關(guān)斷的過程中慢的速率來降低所述電力元件(10)的所述柵極電壓的第二晶體管(25)。如果當(dāng)所述電力元件(10)中的過電流被過電流監(jiān)測器件(26)檢測到時由柵極電壓監(jiān)控器件(21)檢測到的柵極電壓大于預(yù)定值，則通過第一晶體管(24)來降低所述柵極電壓，然后在所述電力元件(10)保持導(dǎo)通的同時通過所述第二晶體管(25)來降低所述柵極電壓。如果當(dāng)所述電力元件(10)中的過電流被過電流監(jiān)測器件(26)檢測到時由所述柵極電壓監(jiān)控器件(21)檢測到的所述柵極電壓小于或等于預(yù)定值，則僅通過所述第二晶體管(25)來降低所述柵極電壓。
文檔編號H03K17/16GK101512902SQ200780032183
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者小杉肇, 山脇秀夫 申請人:豐田自動車株式會社