半导体开关装置驱动设备的制造方法
半导体开关装置驱动设备的制造方法
【专利说明】半导体开关装置驱动设备
[0001]本申请是2012年03月23日提交的、题目为“负载驱动设备和半导体开关装置驱动设备”和申请号为201210080800.X的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本公开涉及一种负载驱动设备，所述负载驱动设备包括用于控制负载电流供应的开关装置。本公开还涉及一种半导体开关装置驱动设备。
【背景技术】
[0003]已经提供了一种利用开关装置驱动负载的负载驱动设备，所述开关装置例如是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)。在导通IGBT时，如果在通往与IGBT耦合的负载的电源的线路上某处发生短路，负载驱动设备产生过电流，由于IGBT的温度突然升高，IGBT被击穿。因此，检测短路是非常重要的。
[0004]在负载驱动设备中，减小IGBT尺寸以降低IGBT成本，在结构上减少了 IGBT装置的短路容量。在发生短路故障时，可能向IGBT连续施加过电流，可能由于温度突然升高导致IGBT击穿。短路容量表示从开始施加过电流到击穿的时间(或能量)。在短路容量低时，击穿所用的时间缩短。在检测到短路之后保护装置的配置中，从检测到短路到保护装置可能花费时间，由于低短路容量可能对装置的保护不充分。
[0005]为了解决上述问题，在IGBT导通时将IGBT栅极电压箝位到箝位电压。因此，限制了由于短路处产生大电流使IGBT击穿。由于IGBT镜像(mirror)效应，箝位电压需要比栅极电压(下文称为镜像电压)更高，因此设计IGBT必须考虑到镜像电压中的最大变化。图23A是示出了正常运行中的IGBT操作的时序图。图23B是示出了短路运行时IGBT操作的时序图。如图23A中所示，镜像电压例如随着IGBT环境而发生很大变化。将箝位电压设置成比最大镜像电压更大的电压。如果短路检测电路执行短路判断并检测到正常结果，则释放箝位并启用完全导通状态。如图23B所示，在短路检测电路进行短路判断并检测到短路时，维持箝位并在预定时间段之后执行软断开。因此，可以限制由于短路而流动的大电流。
[0006]公开了各种通过改变栅极电压来驱动IGBT的方法。例如，JP-A-2009-71956(对应于US 2009/0066402A1)描述了一种改变栅极电压的两级电压驱动系统。JP-A-2009-11049(对应于US 2009/0002054A1)描述了一种改变恒流驱动电路和电压驱动电路的恒流转换系统。
[0007]不过，因为考虑到镜像电压中的最大变化值设计箝位电压，所以必须将箝位电压设置成大值。对于短路容量而言这是不利的，因为在短路期间有电流流动。
[0008]JP-A-2008-29059 提出了一种驱动 IGBT 的驱动电路。具体而言，JP-A-2008-29059中提出的驱动电路包括IGBT，IGBT的控制端子(栅极)与用于供应第一电流的第一驱动电路、用于供应第二电流的第二驱动电路以及用于检测控制端子处电压值的电压电动机耦入口 ο
[0009]根据该驱动电路，如果控制端子的电压低于阈值电压，则仅有第一驱动电路向IGBT控制端子供应第一电流。如果控制端子的电压达到阈值电压，除第一电流之外还向控制端子供应第二电流。在激活IGBT时，驱动电路减小集电极和发射极之间电流的变化并且缩短控制端子处电压恒定的镜像区域的时间段。
[0010]JP-A-2008-29059还提出了一种配置，其中在同一半导体模块中设置温度监测器和外围电路部件。通过监测温度，可以限制高温下使用中的开关损耗。
[0011 ] 不过，在上述常规技术中，IGBT中的温度变化改变浪涌电压，即使在温度监测器检测温度时，在开关操作期间也可能发生浪涌电压。在温度变化时，可能发生过电压并且可能破坏IGBT。
[0012]一般公知的是，增大施加到IGBT控制端子的驱动电流增大控制端子电压的导通转换速率并且提高开关速度。JP-A-2001-169407(对应于US2007/0002782)披露，在IGBT温度和可允许浪涌击穿电压之间的关系中，较低温度区域表示比较高温度范围更小的可允许浪涌击穿电压。
[0013]可以预先确定小的驱动电流，以便提供小的导通转换速率，以防止IGBT温度变化时有浪涌电压。不过，减小施加到控制端子的驱动电流降低了开关速度并增大了开关损耗。
[0014]已经描述了驱动作为半导体开关装置的IGBT的驱动电路。显然地，IGBT是装置的范例。在其它半导体开关装置中也可能发生上述问题。
【发明内容】
[0015]本公开的目的是提供一种能够改进短路容量并且能够限制损耗增加的负载驱动设备。本公开的另一目的是提供一种半导体开关装置驱动设备，其能够限制由于半导体开关装置中温度变化导致的浪涌电压的发生和变化，并且能够减少开关损耗。
[0016]根据本公开第一方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、温度检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制开关装置的栅极电压来导通开关装置并向负载供应电流，使得开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。温度检测电路检测开关装置的温度。所述算术装置基于温度检测电路检测的温度来计算与所述镜像电压的变化对应的电压并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0017]根据第一方面的负载驱动设备能够限制损耗增加，同时改善短路容量。
[0018]根据本公开第二方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、电流检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制开关装置的栅极电压来导通开关装置并且向负载供应电流，使得所述开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述电流检测电路检测从所述开关装置向所述负载供应的输出电流。所述算术装置基于从所述开关装置供应并且由电流检测电路检测的输出电流来计算与所述镜像电压的变化对应的电压，并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0019]根据第二方面的负载驱动设备能够限制损耗增加，同时改善短路容量。
[0020]根据本公开第三方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、镜像电压检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制所述开关装置的栅极电压来导通开关装置并且向所述负载供应电流，使得开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述镜像电压检测电路通过检测施加到所述负载的开关装置的栅极电压来检测镜像电压。所述算术装置基于所述镜像电压检测电路检测的镜像电压来计算与所述镜像电压的变化对应的电压，并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0021]根据第三方面的负载驱动设备能够限制损耗的增加，同时改善短路容量。
[0022]根据本公开第四方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、开关、恒流源、电压检测电路和算术装置。所述开关装置包括第一电极和第二电极，在控制栅极电压时，控制通往负载的电流供应线的开关状态，所述第一电极耦合到所述电流供应线的电源侧，所述第二电极耦合到所述电流供应线的基准点侧。所述栅极驱动电路通过控制所述开关装置的栅极电压来导通所述开关装置并且向负载供应电流，使得所述开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述开关在所述开关装置的栅极和集电极之间造成短路。所述恒流源产生恒定电流以便以恒定电流驱动所述开关装置。所述电压检测电路利用所述开关在所述开关装置的栅极和集电极之间造成短路，以所述恒流源产生的恒定电流驱动所述开关装置，并且检测所述栅极和开关装置的第二电极之间的电压。所述算术装置基于所述电压检测电路检测的栅极和第二电极之间的电压学习栅极阈值电压变化和电流放大系数变化中的至少一个，基于学习结果计算与镜像电压变化对应的电压并控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0023]根据第四方面的负载驱动设备能够限制损耗增大，同时改善短路容量。
[0024]根据本公开第五方面的半导体开关装置驱动设备包括半导体开关装置、驱动部分、控制部分和温度检测部分。所述半导体开关装置包括控制端子。所述驱动部分向所述半导体开关装置的控制端子供应驱动电流。配置所述驱动部分，利用驱动电流大小的增加来缩短所述半导体开关装置导通之前所过去的时间。所述控制部分通过允许或不允许从所述驱动部分向所述控制端子供应驱动电流控制所述半导体开关装置的开关状态。所述温度检测部分检测所述半导体开关装置的装置温度和所述半导体开关装置的环境温度之一。所述驱动部分根据所述温度检测部分检测的装置温度和环境温度之一改变供应给所述控制端子的驱动电流大小。
[0025]根据第五方面的半导体开关装置驱动设备能够限制由于所述半导体开关装置中温度变化导致的浪涌电压的发生和变化并且能够减少开关损耗。
【附图说明】
[0026]在结合附图考虑时，从以下详细描述，本公开的其它目的和优点将更显而易见。在附图中:
[0027]图1是示出了根据本公开第一实施例的负载驱动设备的电路图；
[0028]图2A是示出了将栅极驱动电路配置为两级电压驱动系统的情况下栅极驱动电路的电路图，图2B是示出了栅极驱动电路被配置为恒流系统的情况下的栅极驱动电路的电路图；
[0029]图3是示出了根据第一实施例的箝位电路范例的电路图；
[0030]图4是根据本公开第二实施例的箝位电路的电路图；
[0031]图5是示出了根据本公开第三实施例的负载驱动设备的电路图；
[0032]图6是示出了根据本公开第四实施例的负载驱动设备的电路图；
[0033]图7是示出了根据本公开第五实施例的负载驱动设备的电路图；
[0034]图8是示出了根据本公开第六实施例的负载驱动设备的电路图；
[0035]图9是示出了根据第六实施例的负载驱动设备操作的时序图；
[0036]图10是示出了根据本公开第七实施例的负载驱动设备的电路图；
[0037]图11是示出了根据本公开第八实施例的半导体开关装置驱动设备的示意图；
[0038]图12是示出了将温度敏感二极管用作温度检测部分的情况下的半导体开关装置驱动设备的示意图；
[0039]图13是不出了图1所不半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0040]图14是示出了根据第八实施例的半导体开关装置驱动设备温度和驱动电流之间关系的曲线图；
[0041]图15是示出了根据第八实施例的半导体开关装置驱动设备操作的时序图；
[0042]图16是示出了根据本公开第九实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0043]图17是示出了根据本公开第十实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0044]图18是示出了根据本公开第十一实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0045]图19是示出了根据第十一实施例的半导体开关装置温度和驱动电流之间关系的曲线图；
[0046]图20是示出了根据本公开第十二实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0047]图21是示出了根据第十二实施例的半导体开关装置温度和驱动电流之间关系的曲线图；以及
[0048]图22是示出了根据本公开第十三实施例的半导体开关装置驱动设备的示意图；以及
[0049]图23A是示出了根据现有技术的正常运行中的IGBT操作的时序图，图23B是示出了根据现有技术短路运行中的IGBT操作的时序图。
【具体实施方式】
[0050]将参考附图更详细地描述本公开的实施例。在所有附图中，由相同的附图标记或符号指示超过一个实施例中的同样或等价元件。
[0051](第一实施例)
[0052]将参考例如图1描述根据本公开第一实施例的负载驱动设备。
[0053]图1所示的负载驱动设备包括作为开关装置的IGBT 1、栅极驱动电路2、箝位电路3、温度检测电路4以及算术装置5.1GBT I与负载(未示出)耦合。负载驱动设备能够通过导通IGBT向负载供电。
[0054]栅极驱动电路2驱动IGBT I。IGBT I的集电极耦合到电源。IGBT I的发射极用作预定电势的参考点。负载与IGBT I的集电极或发射极耦合。负载可以是根据电源的开关状态而被驱动的任何设备。例如，在逆变器包括多个IGBT I时，可以将三相电动机用作负载。在这种情况下，可以将图1中所示的负载驱动设备用作针对三相的每一相的上臂和下臂。如果图1中所示的负载驱动设备被用作上臂，将IGBT I的集电极耦合到电源，将发射极耦合到三相电动机。如果图1中所示的负载驱动设备被用作下臂，将IGBT I的集电极耦合到三相电动机，将发射极耦合到地。
[0055]形成IGBT I的芯片包括温度敏感二极管(TSD) Ia作为温度检测部分。温度敏感二极管Ia根据IGBT I的温度产生输出信号，由此能够检测IGBT I的温度。例如，温度敏感二极管Ia包括多个串联耦合的二极管。产生温度敏感二极管Ia和温度检测电阻器(未示出)之间的电势作为与IGBT I温度对应的输出电势。输出电势随着二极管正向电压Vf的温度特性而改变。于是，可以将输出电势用作温度信息来检测IGBT I的温度。
[0056]栅极驱动电路2导通IGBT I以控制向负载供电。具体而言，栅极驱动电路2从诸如微型计算机(未示出)的控制部分接收到IN信号，作为驱动IGBT I的控制信号。栅极驱动电路2基于IN信号控制IGBT 1，由此控制到负载的电流供应。可以将栅极驱动电路2配置为以下系统中的任一个。一种是两级电压驱动系统，其将栅极电压变为箝位电压以及能够实现完全导通状态的更大电压。另一种是恒流系统，使用恒流驱动电路保持向栅极供应恒定电流。
[0057]图2A是示出了在将栅极驱动电路2配置为两级电压驱动系统的情况下的栅极驱动电路2的电路图。栅极驱动电路2包括导通电路和截止电路。导通电路包括串联耦合的开关21a和电阻器22a。截止电路包括串联耦合的开关21b和电阻器22b。来自微型计算机的IN信号控制开关21a和21b的开关状态。为了导通IGBT 1，经由导通电路向IGBT I的栅极施加栅极电压VG。为了截止IGBT 1，经由截止电路将IGBT I的栅极耦合到地。
[0058]图2B是示出了在将栅极驱动电路2配置为恒流系统的情况下的栅极驱动电路2的电路图。栅极驱动电路2包括导通电路和截止电路。导通电路包括串联耦合的恒流源23和电阻器24。截止电路包括串联親合的开关25和电阻器26。为了导通IGBT 1，导通电路的恒流源23基于来自微型计算机的IN信号产生恒定电流。向IGBT I的栅极供应恒定电流。为了截止IGBT 1，经由截止电路将IGBT I的栅极耦合到地。
[0059]可以将栅极驱动电路2配置为两级电压驱动系统或恒流系统。图2B例示了截止电路包括开关25和电阻器26的恒流系统配置。类似于导通电路，可以将截止电路配置为恒流源和电阻器的组合。
[0060]在IGBT I从截止状态变为导通状态时，箝位电路3暂时将IGBT I的栅极电压钳位到箝位电压。根据本实施例的箝位电路3能够根据镜像电压的变化改变箝位电压。基于算术装置5的控制电压控制来控制箝位电路3用于钳位所用的箝位电压。
[0061]图3所示的箝位电路3仅具有电流下拉(sink)能力，并且包括运算放大器31、基准电压电路32和MOSFET 33。如图3所示，运算放大器31的反相输入端子耦合在IGBT I的栅极和MOSFET的漏极之间。运算放大器31的非反相输入端子耦合到基准电压电路32。运算放大器31的输出端子耦合到MOSFET 33的栅极。
[0062]在由算术装置5的控制电压控制调节从基准电压电路32产生的基准电压Vref时，调节运算放大器31的输出端子的输出，使得IGBT I的栅极电压接近基准电压Vref，并控制从MOSFET 33流动的电流。具体而言，在栅极电压低于基准电压Vref时，MOSFET 33截止。在栅极电压达到基准电压Vref时，MOSFET 33开始基于来自运算放大器31的输出信号工作。调节运算放大器31的输出信号，使得栅极电压依从基准电压Vref。因此，可以将IGBT I的栅极电压箝位到相当于基准电压Vref的箝位电压。
[0063]温度检测电路4基于例如来自温度敏感二极管Ia的温度信息或上述温度敏感二极管Ia和温度检测电阻器之间的输出电势检测IGBT I的温度。温度检测电路4向算术装置5发送检测结果。
[0064]算术装置5通过计算用于调节箝位电路3的箝位电压并执行控制电压控制的控制电压来调节与温度检测电路4的检测结果对应的箝位电压。镜像电压随着IGBT I的温度变化。可以从IGBT I的温度估计镜像电压变化。根据镜像电压的变化调节箝位电压。具体而言，基于以下方程(I)计算镜像电压。
[0065]Vmirror = Vth+ V (lc/gm)..(I)
[0066]在方程(I)中，Vmirror表不镜像电压，Vth表不IGBT I的栅极阈值电压，gm表不电流放大系数，Ic表示IGBT I的输出电流。
[0067]在方程(I)中，栅极阈值电压Vth和电流放大系数gm随着温度变化。镜像电压Vmirror还随着取决于温度的栅极阈值电压Vth和电流放大系数gm变化。因此，可以基于检测的IGBT I的温度估计镜像电压Vmirror的变化。执行控制电压控制，从而根据镜像电压Vmiiror的变化计算箝位电压。可以将箝位电压减小到与所检测温度下的镜像电压Vmirror对应的值。
[0068]上述配置提供了根据本实施例具有短路保护功能的负载驱动设备。
[0069]根据本实施例的负载驱动设备计算每次驱动IGBT I时的箝位电压。温度检测电路4基于温度信息检测IGBT I的温度。基于检测到的温度，算术装置5计算与镜像电压Vmirror的变化对应的箝位电压。执行控制电压控制，以便确保算术装置5计算的箝位电压。因此，可以将箝位电路3调节的箝位电压控制在与镜像电压Vmiiror的变化对应的低电压。
[0070]如上所述检测IGBT I的温度。然后，基于检测的温度，根据镜像电压Vmiiror的变化计算箝位电压。因此，可以将箝位电压减小到与所检测温度下的镜像电压Vmirror对应的值。可以考虑镜像电压Vmirror的最大变化，亦即，考虑包括所有环境变化的最大值设计箝位电压。因此，可以改善短路容量，同时限制IGBT I在钳位期间增大损耗。
[0071]IGBT I实际设置有感测端子，图1中未示出。电流经过感测端子流经IGBT I的主单元，并以预定速率减小以产生感测电流。基于感测电流，算术装置5检测断开或过电流状态。断开状态禁止电流流动。过电流状态允许过剩电流流动。此外，算术装置5基于来自温度检测电路4的温度信息检测IGBT I的过热状态。在过热状态下在高温下加热IGBT I。如果未检测到断开、过电流或过热状态，算术装置5在预定时间输出解除箝位信号并允许箝位电路3解除IGBT I栅极的钳位。IGBT I的栅极电压一直增大到完全导通状态。IGBTI工作在完全不饱和状态以向负载供应电流。
[0072](第二实施例)
[0073]将描述根据本公开第二实施例的负载驱动设备。本实施例修改了根据第一实施例的箝位电路3的配置。根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0074]如图4所示，根据本实施例的箝位电路3仅有电流下拉能力，包括沿正向耦合的二极管34、沿反向耦合的齐纳二极管35以及分别与二极管34和齐纳二极管35并联耦合的开关36和37。
[0075]算术装置5的控制电压控制导通或断开开关36和37以能够通过二极管34的正向电压Vf和齐纳二极管35的齐纳击穿电压的组合调节箝位电压。例如，断开开关36并导通开关37使得能够通过二极管34的正向电压Vf调节箝位电压。导通开关36并断开开关37使得能够通过齐纳二极管35的齐纳击穿电压调节箝位电压。断开开关36和开关37使得能够通过二极管34的正向电压Vf和齐纳二极管35的齐纳击穿电压之和调节箝位电压。二极管34和齐纳二极管35用于在根据开关36和37的选择到达二极管34的正向电压Vf和齐纳二极管35的齐纳电压时对栅极电压进行钳位。为了禁用箝位，断开开关36和37，并且将箝位电压增大至高于实际工作电压，使得不再工作。
[0076]图4示出了一个二极管34和一个齐纳二极管35。此外，可以耦合多个二极管34和多个齐纳二极管35。可以利用二极管34的正向电压Vf之和或齐纳二极管35的齐纳击穿电压之和调节箝位电压。
[0077]二极管34、齐纳二极管35和开关36和37可以通过这种方式配置箝位电路3。具有上述配置的箝位电路3能够提供类似于第一实施例的效果。
[0078](第三实施例)
[0079]将描述根据本公开第三实施例的负载驱动设备。本实施例修改了根据第一实施例的温度检测技术。根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0080]如图5所示，提供冷却器6用于对诸如IGBT I的开关装置散热并从IGBT I释放热量，以防止IGBT I过热。冷却器6包括温度传感器6a。可以将来自温度传感器6a的检测信号用作用于温度检测电路4的温度信息以检测IGBT I的温度。为冷却器6提供温度传感器6a，可以间接检测IGBT I的温度。可以将冷却器6提供为水冷型或气冷型。对于水冷型，温度传感器6a可以检测水温。对于气冷型，温度传感器6a可以检测空气温度。亦即，温度传感器6a可以检测用于冷却的冷却介质的温度。
[0081](第四实施例)
[0082]将描述根据本公开第四实施例的负载驱动设备。根据本实施例的负载驱动设备检测来自IGBT I的输出电流，由此计算镜像电压Vmirror的变化而不是根据第一实施例的温度检测，根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0083]如图6所示，IGBT I包括主单元和感测单元。在主单元中，有输出电流流动，用于向负载供电。在感测单元中，有感测电流流动，感测电流是从以预定速率减小输出电流而流经主单元的输出电流产生的。如图6所示，提供电流检测电路7以基于从感测端子流动的感测电流来检测电流。具体而言，为电流检测电路7供应电流信息，亦即，感测端子和耦合到感测端子的感测电阻器8之间的电势，由此检测流经IGBT I的主单元的输出电流。
[0084]如方程(I)中表示的，镜像电压Vmirror取决于来自IGBT I的输出电流以及IGBTI的温度。检测来自IGBT I的输出能够确定与针对输出电流的镜像电压Vmirror变化对应的箝位电压并保持低箝位电压。因此，检测来自IGBT I的输出还能够提供根据第一实施例的效果。
[0085](第五实施例)
[0086]将描述根据本公开第五实施例的负载驱动设备。根据本实施例的负载驱动设备还如第四实施例中所述通过检测来自IGBT I的输出电流计算镜像电压Vmirror的变化。
[0087]如图7所示，提供电流检测部分9以产生电流信息，亦即，与来自IGBT I的输出电流对应的输出。为电流检测电路7供应来自电流检测部分9的输出作为温度信息。因此，电流检测电路7检测流经IGBT I的主单元的输出电流。例如，可以将霍尔器件用作电流检测部分9。输出电流流经耦合到IGBT I的发射极或集电极的电流供应线并产生磁场。霍尔器件将产生的磁场转换成电信号并输出电信号。
[0088]电流检测部分9能够直接检测来自IGBT I的输出电流。像第四实施例那样，第五实施例能够提 供第一实施例中描述的效果。
[0089](第六实施例)
[0090]将描述根据本公开第六实施例的负载驱动设备。根据本实施例的负载驱动设备检测镜像电压Vmirror，由此计算镜像电压Vmirror的变化而不是根据第一实施例的温度检测或根据第四实施例检测来自IGBT I的输出电流。根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0091]如图8所示，提供镜像电压检测部分10以检测IGBT I的栅极电压。镜像电压检测部分10直接检测栅极电压作为镜像电压。例如，镜像电压检测部分10始终检测IGBT I的栅极电压。镜像电压检测部分10通知算术装置5与栅极电压对应的值，算术装置5保存该值。算术装置5保存镜像电压Vmirror的值，该值在图9所示的时段Tx期间生效。算术装置5计算与镜像电压Vmirror对应的箝位电压。控制电压控制最终调节箝位电压。
[0092]可以以上述方式直接检测镜像电压Vmirror。因此，根据本实施例的负载驱动设备还可以提供第一实施例中所述的效果。
[0093]此外，可以如下检测镜像电压Vmirror。
[0094]镜像电压在镜像周期内生效。通常情况下，镜像周期短，以便减少开关损耗。可以在那时检测栅极电压以在IN信号之后过去预定时间之后开始镜像时段。可以检测栅极电压作为镜像电压Vmiiror。栅极电压可以基于预定流程根据IGBT I的栅极容量升高。可以假设从栅极电压超过阈值过去预定时间之后Vmirror生效。可以在那时检测栅极电压并可以假设为镜像电压Vmirror。
[0095](第七实施例)
[0096]将描述根据本公开第七实施例的负载驱动设备。根据第一到第六实施例的负载驱动设备检测由于IGBT I的环境变化导致的镜像电压Vmirror变化。另一方面，根据本实施例的负载驱动设备一开始学习在启动时用于IGBT I的栅极阈值电压Vth，并学习由于IGBTI制造变化导致的栅极阈值电压Vth变化造成的镜像电压Vmirror变化。
[0097]如图10所示，负载驱动设备包括恒流源11、开关12和电压检测电路13。恒流源11向IGBT I的栅极和集电极供应恒定电流。开关12导通或断开供应给集电极的恒定电流。电压检测电路13检测栅极阈值电压Vth。为了根据这种配置进行初始学习，初始学习信号导通开关12以使栅极和集电极之间短路。此外，初始学习信号允许恒流源11产生恒定电流。结果，恒定电流能够驱动IGBT 1可以检测针对IGBT I的栅极阈值电压Vth，同时电压检测电路13检测栅极和发射极之间的电压或集电极和发射极之间的电压。
[0098]向算术装置5供应初始学习信号，向算术装置5通知初始学习条件。算术装置5发现栅极阈值电压Vth与电压检测电路13中检测的栅极阈值电压Vth的差异并且学习(存储)该差异。算术装置5使用栅极阈值电压Vth的变化以基于上述方程(I)计算镜像电压Vmirror0算术装置5计算与计算的镜像电压Vmirror对应的箝位电压。算术装置5的栅极阈值电压Vth变化可能相当于镜像电压Vmirror的变化或箝位电压或控制电压控制的控制量(用于图3所示基准电压电路32的基准电压Vref或图4中所示的开关36和17的开关状态)。在驱动IGBT I向负载供应电流时，算术装置5基于学习结果确定箝位电压。
[0099]算术装置5能够一开始学习栅极阈值电压Vth并且能够基于学习结果确定箝位电压。因此，根据本实施例的负载驱动设备提供类似于第一实施例的效果。如果算术装置5在初始学习时改变恒定电流值，测量那时栅极和发射极之间的电压以及栅极阈值电压Vth，并计算电流放大系数gm，类似的效果也是有的。
[0100]假设在驱动IGBT I之前执行初始学习。除了这种情况之外，算术装置5可以在对半导体器件模块化时，亦即，在半导体器件制造阶段中一次性学习栅极阈值电压Vth，并可以在存储器等中存储学些结果。
[0101]上述第一到第七实施例使用IGBT I作为开关装置的范例。开关装置还可以包括半导体开关装置，例如功率MOSFET以及IGBT I。在这种情况下，根据第七实施例的学习仅需要检测栅极和源极之间的电压。换言之，开关装置的第一电极(集电极或漏电极)耦合到通往负载的电流供应线的电源侧，开关装置的第二电极(发射极或源电极)耦合到基准点侧。开关装置通过控制栅极电压来控制电流供应线的开关状态。可以通过检测栅极和第二电极之间的电压来进行学习。
[0102]提供栅极驱动电路2和箝位电路3作为电路范例。如果电路配置确保了类似操作，也可以有其它电路配置。在根据第七实施例的负载驱动设备中，恒流源11设置于IGBTI的集电极侧。恒流源11也可以设置于发射极侧。
[0103](第八实施例)
[0104]将描述根据本公开第八实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备使用恒定电流驱动诸如IGBT和功率MOSFET的半导体开关装置。
[0105]如图11所示，该半导体开关装置驱动设备包括半导体开关装置110、温度检测部分120、信号发生部分130和驱动部分140。
[0106]半导体开关装置110驱动负载(未示出)。在本实施例中，采用N沟道型IGBT I作为半导体开关装置110。半导体开关装置110包括控制端子111作为栅极。控制端子111耦合到驱动部分140。负载(未示出)耦合到半导体开关装置110的源极侧或漏极侧。向控制端子111施加驱动电流i，由此驱动半导体开关装置110。
[0107]温度检测部分120检测半导体开关装置110的装置温度或半导体开关装置110的环境温度。如图12所示，在本实施例中，采用半导体开关装置110中包括的温度敏感装置(TSD)作为温度检测部分120。可以为诸如IGBT的功率装置提供温度敏感装置，其检测装置的工作温度。温度敏感装置包括例如形成于IGBT绝缘层上的二极管。在温度检测部分120包括温度敏感装置的情况下，在IGBT I的工作温度包括时，二极管的输出(正向电压)减小。
[0108]温度检测部分120向信号发生部分130输出与温度对应的电压作为检测结果(温度信息Va)。在本实施例中，在半导体开关装置110的温度升高时，温度信息Va的值也增大。
[0109]信号发生部分130从温度检测部分120接收检测结果。基于检测结果，信号发生部分130产生并且输出电流控制信号，电流控制信号改变施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流。
[0110]驱动部分140产生施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i并向控制端子111施加驱动电流i以驱动半导体开关装置110。驱动部分140的能力或开关速度取决于驱动电流i。到半导体开关装置110导通之前需要导通时间。增大驱动电流缩短了导通时间。缩短导通时间提高了开关速度。
[0111]已经描述了半导体开关装置驱动设备的概要。下文参考图13描述半导体开关装置驱动设备的具体电路配置。
[0112]如图12所示，温度检测部分120被配置为温度敏感装置并包括在半导体开关装置110 中。
[0113]信号发生部分130包括比较器131a、参考电压源131b和与门电路131c。比较器131a比较来自温度检测部分120的检测结果(温度信息Va)和针对检测设置的温度阈值，并且将比较结果作为比较信号S输出。基准电压源131b产生用作温度阈值的基准电压。为比较器131a的非反相输入端子(+)供应与来自温度检测部分120的温度对应的电压。为比较器131a的反相输入端子(_)供应基准电压作为温度阈值。如果Va超过温度阈值，比较器131a输出高电平比较信号。如果Va小于温度阈值，比较器131a输出低电平比较信号。
[0114]如果驱动信号和比较信号都高，与门电路131c输出高电平电流控制信号。如果驱动信号和比较信号之一是低的，与门电路131c输出低电平电流控制信号。
[0115]驱动部分140包括可变恒流电路141、第一转换开关142a和第二转换开关142b。可变恒流电路141包括第一电阻器143 (图13中的Rl)、第二电阻器144 (图13中的R2)、运算放大器145、开关装置146和恒流源147。
[0116]第一电阻器143用于感测并且被供应有与流向半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i对应的电流。第一电阻器143的一端耦合到电源160 (图13中的VB)，第一电阻器143的另一端耦合到开关装置146。第二电阻器144的一端耦合到电源160，第二电阻器144的另一端耦合到恒流源147。
[0117]运算放大器145基于第二电阻器144另一端处的电压反馈控制流向第一电阻器143的电流，由此调节供应给半导体开关装置110控制端子111的驱动电流i的大小。
[0118]运算放大器145的非反相输入端子⑴耦合到第二电阻器144的另一端和恒流源147之间的连接点。结果，为运算放大器145的非反相输入端子供应与第二电阻器144的另一端对应的第一电压。在VB表示电源160的电压时，Ia表示流到第二电阻器144的电流，R2表示第二电阻器144的电阻值，第一电压对应于从电源电压减去基准电压获得的电压(VB-1aXR2)。
[0119]运算放大器145的反相输入端子(_)耦合到第一电阻器143的另一端。结果，为运算放大器145的反相输入端子供应与第一电阻器143的另一端对应的第二电压。在i表示流向第一电阻器143的电流时，Rl表示第一电阻器143的电阻值，第二电压对应于从电源电压减去第一电阻器143的电压降获得的电压(VB-1XRl)。
[0120]开关装置146是由运算放大器145的输出驱动的半导体装置。在本实施例中，采用P沟道型MOSFET作为开关装置146。开关装置146的栅极耦合到运算放大器145的输出端子，开关装置146的源极耦合到第一电阻器143的另一端。开关装置146的漏极耦合到半导体开关装置110的控制端子111。
[0121]恒流源147能够改变流向第二电阻器144的基准电流Ia的量并且耦合在第二电阻器144的另一端和地之间。恒流源147包括第一恒流源148、第二恒流源149a和开关149b ο
[0122]第二恒流源149a经由开关149耦合到第二电阻器144的另一端。第一恒流源148直接耦合到第二电阻器144的另一端。开关14%根据从信号发生部分130供应的电流控制信号导通或断开。在本实施例中，高电平电流控制信号导通开关14%，低电平电流控制信号断开开关149b。
[0123]第一恒流源148和第二恒流源149a可以具有相同或不相同的电流能力。根据设计可以为恒流源148和149a提供电流能力，该设计指定开关14%导通或断开时向第二电阻器144供应的电流大小。
[0124]在电流控制信号导通开关14%时，第二电阻器144中流动第一电流值的电流。第一电流值是流向第二恒流源149a的电流和流向第一恒流源148的电流之和。另一方面，在电流控制信号断开开关149b时，从电源160和地之间去耦流向第二恒流源149a的电流。于是，第二电阻器144中仅有向第一恒流源148供应的电流流动。向流向第一恒流源148的电流分配第二电流值。在断开开关149b时，第二电流值的电流小于第二电阻器144中流动的第一电流值。换言之，如果来自温度检测部分120的检测结果表明超过温度阈值的高温，恒流源147供应第一电流值的电流。另一方面，如果来自温度检测部分120的检测结果表明低于温度阈值的温度，恒流源147供应小于第一电流值的第二电流值。已经描述了可变恒流电路141的配置。
[0125]第一转换开关142a和第二转换开关142b通过根据驱动信号允许或不允许驱动部分140向控制端子111供应驱动电流I来控制半导体开关装置110的开关状态。在本实施例中，“允许”对应于断开第一转换开关142a和第二转换开关142b。“不允许”对应于导通第一转换开关142a和第二转换开关142b。
[0126]第一转换开关142a親合在电源160和运算放大器145的输出端子之间。在本实施例中，采用P沟道型MOSFET作为第一转换开关142a。第一转换开关142a的源极耦合到电源160，第 一转换开关142a的漏极親合到运算放大器145的输出端子。
[0127]第二转换开关142b耦合在控制端子111和地之间。在本实施例中，采用N沟道型MOSFET作为第二转换开关142b。第二转换开关142b的源极耦合到半导体开关装置110的控制端子111，第二转换开关142b的漏极耦合到地。
[0128]逆变器142c耦合到第二转换开关142b的栅极。驱动信号经由逆变器142c输入到第二转换开关142b。驱动信号直接输入到第一转换开关142a。输入到开关142a和142b之一的信号在输入到其它开关时进行反转。图11和图12仅示出了第二转换开关142b。
[0129]在本实施例中，例如从外部ECU输入驱动信号。在本实施例中，高电平驱动信号导通半导体开关装置110。
[0130]参考图14和图15，下文描述图11到图13所示的半导体开关装置驱动设备的操作。在以下描述中，调用温度检测部分120检测到的装置温度或环境温度，简而言之，即半导体开关装置110的温度。
[0131]在上述配置中，驱动部分140根据半导体开关装置110的温度改变施加到控制端子111的驱动电流i的大小，同时温度检测部分120检测温度。具体而言，升高半导体开关装置110的温度增大了驱动电流i。原因如下。在低温下容易发生浪涌，驱动电流i减小以抑制浪涌的发生和变化。在高温下几乎不发生浪涌，驱动电流i增大，以提高开关速度。
[0132]在图14中，“Tl”表示上述温度阈值。如果半导体开关装置110的温度超过温度阈值Tl，逐步增大驱动电流i。如果温度低于或等于温度阈值Tl，驱动电流i的大小对应于恒流源147的第二电流值。如果温度高于或等于温度阈值Tl，驱动电流i的大小对应于恒流源147的第一电流值。
[0133]将描述图15中所示的时序图。在时间点X10，供应给驱动部分140的驱动信号从低电平变为高电平，以断开第一转换开关142a和第二转换开关142b。运算放大器145驱动开关装置146。驱动电流i流向半导体开关装置110的控制端子111。
[0134]可变恒流电路141反馈控制流向第一电阻器143的电流大小，使得对应于第一电阻器143的另一端的第一电压等于对应于第二电阻器144的另一端的第二电压。
[0135]在可变恒流电路141中的运算放大器145的输入端子处维持相同的电势。具体而言，运算放大器145控制开关装置146，使得对应于第一电阻器143的另一端的第一电压(VB-1XRl)等于对应于第二电阻器144的另一端的第二电压(VB-1aXR2)。将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaXR2)/Rl。施加流向第一电阻器143的基准电流Ia作为通往半导体开关装置110的控制端子111的恒定驱动电流i。换言之，由于表达为i =(IaXR2)/Rl，与流向第二电阻器144的基准电流Ia的大小成比例的电流在第一电阻器143中向控制端子111流动。
[0136]换言之，运算放大器145比较施加到控制端子111的驱动电流i和基准电流la。运算放大器145通过改变与基准电流Ia对应的输出来改变施加到控制端子111的驱动电流i，基准电流Ia随着电流控制信号变化。
[0137]在时间点X10，温度信息Va低于温度阈值Tl。信号发生部分130的比较器131a输出低电平比较信号S。与门电路131c还输出低电平电流控制信号。断开恒流源147的开关149b。因此，第二电阻器144仅允许小于第一电流值的第二电流值的电流。这个电流作为基准电流Ia流向第一恒流源148。
[0138]在时间点XII，温度信息Va超过温度阈值Tl。信号发生部分130的比较器131a输出高电平比较信号S。与门电路131c还输出高电平电流控制信号。导通恒流源147的开关149b。因此，第一电流值的电流作为基准电流Ia流入第二电阻器144，基准电流Ia对应于流向第二恒流源149a的电流和流向第一恒流源148的电流之和。在第一电阻器143中，流动着与第一电流值成比例的电流。结果，驱动电流i在时间点Xll增大，如图15中所示。通过这种方式，驱动部分140基于来自比较器131a的比较结果改变施加到控制端子111的驱动电流。驱动电流i可以在高温下增大，几乎不会导致浪涌。半导体开关装置110能够提尚转换速率，由此提尚开关速度。
[0139]在后继的时间点X12，输入到驱动部分140的驱动信号从高电平变为低电平。断开半导体开关装置110的指令导通第一转换开关142a和第二转换开关142b并且断开开关装置146。经由第二转换开关142b向地释放控制端子111中存储的电荷。控制端子111处的栅极电压变得低于阈值电压并且断开半导体开关装置110。
[0140]如上所述，如果在半导体开关装置110保持导通的时间内半导体开关装置110的温度变高，则驱动电流i增大。尽管在时序图中未示出，如果温度信息Va变得低于温度阈值Tl，基准电流Ia减小，驱动电流i也逐步减小。
[0141 ] 如上所述，在本实施例中，施加到控制端子111的驱动电流i根据半导体开关装置110的温度变化。可以减小驱动电流以降低低温下的转换速率，在低温下更可能导致浪涌。于是，可以限制由于半导体开关装置110中的温度变化导致的浪涌电压发生和变化。另一方面，可以增大驱动电流以提高高温下的转换速率，在高温下较不可能导致浪涌。因此，半导体开关装置110的开关速度增大。结果，可以减少开关损耗。于是，可以限制由于半导体开关装置110中的温度变化导致的浪涌电压发生和变化并且可以减少开关损耗。
[0142]在本实施例中，比较器131a能够用作温度比较部分，恒流源147能够用作电流源，运算放大器145能够用作电流比较部分，第一转换开关142a、第二转换开关142b和逆变器142c能够用作控制部分。
[0143](第九实施例)
[0144]将描述根据本公开第九实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备调节第二电阻器144的电阻值，由此调节施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i的量。
[0145]如图16所示，为可变恒流电路141提供第二电阻器144，第二电阻器144包括彼此串联耦合的电阻器144a (图16中的R21)和电阻器144b (图16中的R22)。电阻器144b的一端親合到电源160，电阻器144b的另一端親合到电阻器144a的一端。电阻器144a的另一端耦合到运算放大器145的非反相输入端子(+)。
[0146]第二电阻器144的电阻器144b与开关14%并联耦合，根据从信号发生部分130输出的电流控制信号导通或断开开关14%。在导通开关14%时，第二电阻器144的电阻值变为电阻器144a的电阻值。在断开开关14%时，第二电阻器144的电阻值变为电阻器144a和144b的电阻值之和。
[0147]信号发生部分130的配置类似于第八实施例中所述信号发生部分130的配置。不过，在本实施例中，低电平电流控制信号导通开关14%，高电平电流控制信号断开开关149b ο
[0148]驱动部分140包括供应预定基准电流Ia的恒流源147。根据本实施例的运算放大器145比较施加到控制端子111的驱动电流i和基准电流Ia或输出这些电流之间的差异。第二电阻器144的电阻值根据电流控制信号变化，以改变运算放大器145的输出，施加到控制端子111的驱动电流相应地变化。亦即，为运算放大器145供应与第一电阻器143的另一端对应的第一电压和与第二电阻器144的另一端或电阻器144a的另一端对应的第二电压。此外，运算放大器145驱动开关装置146，使得第一电压等于第二电压。
[0149]如果信号发生部分130判定温度信息Va低于温度阈值Tl，低电平电流控制信号导通开关149b。结果，基准电流Ia仅流向电阻器144a。在电阻器144a具有电阻值R21时，如上所述，将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaXR21)/Rlo在第一电阻器143a中，流动着与电阻器144a的电阻值R21成比例的电流。
[0150]另一方面，如果信号发生部分130判定温度信息Va超过温度阈值Tl，高电平电流控制信号断开开关149b。结果，基准电流Ia流向电阻器144a和144b两者。在电阻器144b具有电阻值R22时，如上所述，将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i =(IaX (R21+R22))/Rlo在第一电阻器143中，流动着与电阻器144a的电阻值R21和电阻器144b的电阻值R22之和成比例的电流。
[0151]根据电流控制信号，亦即，在断开开关14%时，驱动部分140增大基准电流Ia流向的第二电阻器144的电阻值。因此，驱动部分140改变运算放大器145的输出并且能够增大施加到控制端子111的驱动电流i。
[0152]如上所述，调节第二电阻器144的电阻值能够增大或减小施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i。
[0153]在本实施例中，第二电阻器144能够用作可变电阻器，运算放大器145能够用作输出部分。
[0154](第十实施例)
[0155]将描述根据本公开第十实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备改变第一电阻器143的电阻值以改变驱动电流i。
[0156]如图17所示，为可变恒流电路141提供第一电阻器143，第一电阻器143包括彼此串联耦合的电阻器143a (图17中的Rll)和电阻器143b (图17中的R12)。电阻器143b的一端親合到电源160，电阻器143b的另一端親合到电阻器143a的一端。电阻器143a的另一端耦合到开关装置146。
[0157]在第一电阻器143中，电阻器143b与开关149b并联親合，根据从信号发生部分130输出的电流控制信号导通或断开开关14%。在导通开关14%时，第一电阻器143的电阻值变为电阻器143a的电阻值。在断开开关14%时，第一电阻器143的电阻值变为电阻器143a和143b的电阻值之和。在本实施例中，低电平电流控制信号导通开关14%，高电平电流控制信号断开开关14%。
[0158]信号发生部分130的配置类似于第八实施例中所述信号发生部分130的配置。类似于第九实施例，驱动部分140包括供应预定基准电流Ia的恒流源147。
[0159]在实施例中，如果信号发生部分130判定温度信息Va低于温度阈值Tl，则低电平电流控制信号断开开关14%。结果，所述电阻器143a和电阻器143b两者都配置第一电阻器143。在电阻器143a具有电阻值Rll并且电阻器143b具有电阻值12的时候，将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaX (R2))/(Rll+R12))o在第一电阻器143中，流动着与电阻器143a的电阻值Rll和电阻器144b的电阻值R12之和成反比的驱动电流i。驱动电流i小，因为分母很大。
[0160]另一方面，如果信号发生部分130判定温度信息Va超过温度阈值Tl，则高电平电流控制信号导通开关14%。结果，仅电阻器143a配置第一电阻器143。将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaXR2)/Rl。在第一电阻器143中，流动着与电阻器143a的电阻值Rll成比例的电流。驱动电流i大，因为分母很小。
[0161]如上所述，驱动部分140能够通过根据电流控制信号改变第一电阻器143的电阻值来改变施加到控制端子111的驱动电流i的大小。
[0162]在本实施例中，第一电阻器143能够用作可变电阻器。
[0163](第^^一实施例)
[0164]将描述根据本公开第十一实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备基于多个温度阈值以逐步的方式改变驱动电流i。
[0165]如图18中所示，信号发生部分130包括三个比较器131a到133a，基准电压源131b到133b以及与比较器131a到133a对应的与门电路131c到133c。为基准电压源131b提供基准电压作为温度阈值Tl。为基准电压源132b提供基准电压作为温度阈值T2。为基准电压源133b提供基准电压作为温度阈值T3。在本实施例中，温度阈值T1-T3满足关系T1〈T2〈T3。与 门电路131c到133c的每一个输出电流控制信号。
[0166]驱动部分140中的恒流源147包括与与门电路131c到133c对应的第二到第四恒流源149a到151a。开关149b到151b耦合到恒流源149a到151a。恒流源149a到151a可以有或没有相同的电流能力。
[0167]图19示出了半导体开关装置的温度和驱动电流i之间的关系。如果温度信息Va低于温度阈值Tl，所有开关14%到151b都断开。仅将来自第二恒流源149a的电流用作基准电流la。因此，基于i = (IaXR2)/Rl流动着驱动电流i。
[0168]如果温度信息Va超过温度阈值Tl，来自比较器131a和与门电路131c的输出变高。高电平电流控制信号导通开关149b。结果，来自第二恒流源149a的电流和来自第一恒流源148的电流之和变为基准电流la。将基准电流Ia增加来自第一恒流源148的电流。于是，驱动电流i也与基准电流Ia成比例地增大。
[0169]如果温度信息Va超过温度阈值T2，来自比较器131a和132a和与门电路131c和132c的输出变高。高电平电流控制信号导通开关149b和150b。结果，来自第一恒流源148的电流、来自第二恒流源149a的电流和来自第三恒流源150a的电流之和变为基准电流la。将基准电流Ia增加来自第一恒流源148和来自第三恒流源150a的电流。驱动电流i也与基准电流Ia成比例地增大。
[0170]如果温度信息Va超过温度阈值T3，来自比较器131a到133a和与门电路131c和133c的所有输出变高。高电平电流控制信号导通开关149b到151b。结果，来自所有恒流源148和149a到151a的电流之和变为基准电流la。驱动电流i也与基准电流Ia成比例地增大。
[0171]在关于半导体开关装置110的温度或温度信息Va依次超过温度阈值时，基准电流Ia依次增大来自恒流源149a到151a的电流。于是，如图19所示，逐步增大驱动电流i。类似地，在半导体开关装置110的温度降低时，温度信息Va按照T3、T3和Tl的顺序减小，驱动电流i也逐步减小。
[0172]如上所述，可以定义温度信息Va的多个温度阈值以逐步改变驱动电流I。已经描述了改变恒流源147的电流量的配置。此外，可以在第九和第十实施例所述的改变电阻值的配置中为温度信息Va定义多个温度阈值。在这种情况下，逐步改变电阻值以逐步改变驱动电流i。在这种情况下，利用多个电阻器串联耦合第一电阻器143和第二电阻器144，依次导通或断开与电阻器并联耦合的开关。
[0173](第十二实施例)
[0174]将描述根据本公开第十二实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备连续改变驱动电流i。
[0175]如图20所示，根据本实施例的信号发生部分130包括晶体管134、电阻器135和差分放大器136。
[0176]晶体管134是PNP型双极性晶体管。发射极耦合到驱动部分140中第二电阻器144的另一端。集电极耦合到电阻器135。晶体管134的基极耦合到差分放大器136的输出端子。电阻器135耦合在晶体管134和地之间。
[0177]差分放大器136如下驱动晶体管134。在非反相输入端子(+)处，为差分放大器136供应温度信息Va作为从温度检测部分120输出的基准电压。在反相输入端子(_)处，为差分放大器136供应发射极侧的电压并且输出输入之间的差分放大。
[0178]在根据本实施例的信号发生部分130中，晶体管134的发射极侧的电压对应于电流控制信号。换言之，信号发生部分130被供应来自温度检测部分120的检测结果并输出电流控制信号，基于间接结果连续改变大小。
[0179]根据本实施例的驱动部分140不包括恒流源147，例如，根据第八实施例，恒流源147包括在图13所示的驱动部分140中。信号发生部分130耦合到第二电阻器144和运算放大器145。
[0180]根据本实施例的半导体开关装置驱动设备连续改变温度信息Va，由此连续改变差分放大器136的输出。基准电流Ia根据温度信息Va连续变化。驱动电流i = (IaXR2)/Rl的值Ia连续改变。驱动电流i也连续变化。具体而言，增加温度信息Va也增加了来自差分放大器136的输出。基准电流Ia相应地增大。
[0181]如图21所示，半导体开关装置110的温度和驱动电流i具有成比例的关系。升高半导体开关装置110的温度以预定梯度增大了驱动电流i。
[0182]根据本实施例，将来自温度检测部分120的温度信息Va用作基准电压。晶体管134的栅极从差分放大器136接收输出。晶体管134的源极向差分放大器136馈送回输入。基准电流Ia连续变化。驱动部分140能够基于大小连续变化的电流控制信号连续改变供应给控制端子111的驱动电流i。可以对驱动电流i进行精细调谐。
[0183]在本实施例中，差分放大器136能够用作输出部分。
[0184](第十三实施例)
[0185]将描述根据本公开第十三实施例的半导体开关装置驱动设备。第一到第十二实施例使用温度敏感装置作为温度检测部分120。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备使用冷却结构。
[0186]诸如半导体开关装置110的散热开关装置利用冷却结构散热，从而限制半导体开关装置110过热。
[0187]如图22中所示，根据本实施例的半导体开关装置驱动设备包括冷却结构121。为冷却结构121提供温度传感器(未示出)。可以将温度传感器输出的探测信号用作温度信息Va。温度传感器检测冷却结构121的温度以检测半导体开关装置110的温度。
[0188]可以针对水冷或气冷来设计冷却结构121。对于水冷，温度传感器仅需要检测水温。对于气冷，温度传感器仅需要检测空气温度。亦即，温度传感器仅需要检测冷却介质的温度。
[0189]半导体开关装置110能够使用冷却结构121以及温度敏感装置进行温度检测。
[0190]在本实施例中，冷却结构121能够用作温度检测部分。
[0191]根据第八到第十三实施例的半导体开关装置驱动设备具有温度敏感装置或冷却结构121作为检测半导体开关装置110温度的范例。也可以使用诸如热敏电阻器的电阻器。
[0192]在上述实施例中，第一转换开关142a和第二转换开关142b例如包括在驱动部分140中。可以彼此不同地配置驱动部分140、第一转换开关142a和第二转换开关142b。
[0193]可以适当地定义在信号的哪个电平(例如低或高电平)导通或断开上述实施例中描述的开关。也可以适当地定义信号电平的含义。
【主权项】
1.一种半导体开关装置驱动设备，包括: 半导体开关装置(110)，所述半导体开关装置(110)包括控制端子(111); 驱动部分(140)，所述驱动部分(140)向所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)供应驱动电流，配置所述驱动部分(140)，使得通过增加所述驱动电流的大小来缩短所述半导体开关装置(110)导通之前所过去的导通时间； 控制部分(142a，142b，142c)，所述控制部分(142a，142b，142c)通过允许或不允许从所述驱动部分(140)向所述控制端子(111)供应所述驱动电流来控制所述半导体开关装置(110)的开关状态；以及 温度检测部分(120，121)，所述温度检测部分(120，121)检测所述半导体开关装置(110)的装置温度和所述半导体开关装置(110)的环境温度之一， 其中所述驱动部分(140)根据所述温度检测部分(120，121)检测的所述装置温度和所述环境温度之一来改变供应给所述控制端子(Ul)的所述驱动电流的大小。2.根据权利要求1所述的半导体开关装置驱动设备，还包括: 信号发生部分(130)，所述信号发生部分(130)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果，并且根据所述检测结果输出电流控制信号，所述电流控制信号用于改变供应给所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小；以及 可变电阻器(143)，所述可变电阻器(143)耦合在电源(160)和所述控制端子(111)之间， 其中所述驱动部分(140)向所述控制端子(111)供应流向所述可变电阻器(143)的所述驱动电流，并且通过改变所述可变电阻器(143)的电阻值来改变向所述控制端子(111)供应的所述驱动电流的大小。3.根据权利要求1所述的半导体开关装置驱动设备，还包括 信号发生部分(130)，所述信号发生部分(130)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果，并且根据所述检测结果输出电流控制信号，所述电流控制信号用于改变供应给所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小， 其中所述驱动部分(140)包括其中流动基准电流的可变电阻器(144)和输出部分(145)， 其中所述可变电阻器(144)与电源(160)耦合， 其中所述输出部分(145)输出所述基准电流和供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流之间的比较结果和差异之一， 其中所述驱动部分(140)通过根据所述电流控制信号改变所述可变电阻器(144)的电阻值并且改变所述输出部分(145)的输出来改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小。4.根据权利要求1所述的半导体开关装置驱动设备，还包括 信号发生部分(130)，所述信号发生部分(130)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果，并且根据所述检测结果输出电流控制信号，所述电流控制信号用于改变供应给所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小， 其中所述驱动部分(140)包括电流源(147)和电流比较部分(145)，在所述电流源(147)中流动着可变基准电流， 其中所述电流比较部分(145)将所述基准电流与供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流进行比较，并且 其中所述驱动部分(140)通过根据所述电流控制信号改变所述基准电流并且改变所述输出部分(145)的输出来改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小。5.根据权利要求2-4中的任一项所述的半导体开关装置驱动设备， 其中所述信号发生部分(130)包括温度比较部分(131a)，所述温度比较部分(131a)将所述温度检测部分(120，121)的检测结果与至少一个温度阈值进行比较，并且输出比较结果j并且 其中所述驱动部分(140)基于所述温度比较部分(131a)的所述比较结果来改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流。6.根据权利要求2-4中的任一项所述的半导体开关装置驱动设备， 其中所述信号发生部分(130)包括输出部分(136)，所述输出部分(136)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果并且输出大小随着所述检测结果连续变化的电流控制信号，并且 其中所述驱动部分(140)基于大小连续变化的所述电流控制信号连续地改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流。
【专利摘要】一种半导体开关装置驱动设备，包括：半导体开关装置，所述半导体开关装置包括控制端子；驱动部分，所述驱动部分向所述半导体开关装置的所述控制端子供应驱动电流，配置所述驱动部分，使得通过增加所述驱动电流的大小来缩短所述半导体开关装置导通之前所过去的导通时间；控制部分，所述控制部分通过允许或不允许从所述驱动部分向所述控制端子供应所述驱动电流来控制所述半导体开关装置的开关状态；以及，温度检测部分，所述温度检测部分检测所述半导体开关装置的装置温度和所述半导体开关装置的环境温度之一，其中所述驱动部分根据所述温度检测部分检测的所述装置温度和所述环境温度之一来改变供应给所述控制端子的所述驱动电流的大小。
【IPC分类】H03K17/14, H03K17/082
【公开号】CN104901663
【申请号】CN201510294357
【发明人】尾势朋久, 滨中义行, 千田康隆, 三浦亮太郎, 山本宪司
【申请人】株式会社电装
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2012年3月23日
【公告号】CN102694531A, CN102694531B, US20120242376
【专利说明】半导体开关装置驱动设备
[0001]本申请是2012年03月23日提交的、题目为“负载驱动设备和半导体开关装置驱动设备”和申请号为201210080800.X的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本公开涉及一种负载驱动设备，所述负载驱动设备包括用于控制负载电流供应的开关装置。本公开还涉及一种半导体开关装置驱动设备。
【背景技术】
[0003]已经提供了一种利用开关装置驱动负载的负载驱动设备，所述开关装置例如是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)。在导通IGBT时，如果在通往与IGBT耦合的负载的电源的线路上某处发生短路，负载驱动设备产生过电流，由于IGBT的温度突然升高，IGBT被击穿。因此，检测短路是非常重要的。
[0004]在负载驱动设备中，减小IGBT尺寸以降低IGBT成本，在结构上减少了 IGBT装置的短路容量。在发生短路故障时，可能向IGBT连续施加过电流，可能由于温度突然升高导致IGBT击穿。短路容量表示从开始施加过电流到击穿的时间(或能量)。在短路容量低时，击穿所用的时间缩短。在检测到短路之后保护装置的配置中，从检测到短路到保护装置可能花费时间，由于低短路容量可能对装置的保护不充分。
[0005]为了解决上述问题，在IGBT导通时将IGBT栅极电压箝位到箝位电压。因此，限制了由于短路处产生大电流使IGBT击穿。由于IGBT镜像(mirror)效应，箝位电压需要比栅极电压(下文称为镜像电压)更高，因此设计IGBT必须考虑到镜像电压中的最大变化。图23A是示出了正常运行中的IGBT操作的时序图。图23B是示出了短路运行时IGBT操作的时序图。如图23A中所示，镜像电压例如随着IGBT环境而发生很大变化。将箝位电压设置成比最大镜像电压更大的电压。如果短路检测电路执行短路判断并检测到正常结果，则释放箝位并启用完全导通状态。如图23B所示，在短路检测电路进行短路判断并检测到短路时，维持箝位并在预定时间段之后执行软断开。因此，可以限制由于短路而流动的大电流。
[0006]公开了各种通过改变栅极电压来驱动IGBT的方法。例如，JP-A-2009-71956(对应于US 2009/0066402A1)描述了一种改变栅极电压的两级电压驱动系统。JP-A-2009-11049(对应于US 2009/0002054A1)描述了一种改变恒流驱动电路和电压驱动电路的恒流转换系统。
[0007]不过，因为考虑到镜像电压中的最大变化值设计箝位电压，所以必须将箝位电压设置成大值。对于短路容量而言这是不利的，因为在短路期间有电流流动。
[0008]JP-A-2008-29059 提出了一种驱动 IGBT 的驱动电路。具体而言，JP-A-2008-29059中提出的驱动电路包括IGBT，IGBT的控制端子(栅极)与用于供应第一电流的第一驱动电路、用于供应第二电流的第二驱动电路以及用于检测控制端子处电压值的电压电动机耦入口 ο
[0009]根据该驱动电路，如果控制端子的电压低于阈值电压，则仅有第一驱动电路向IGBT控制端子供应第一电流。如果控制端子的电压达到阈值电压，除第一电流之外还向控制端子供应第二电流。在激活IGBT时，驱动电路减小集电极和发射极之间电流的变化并且缩短控制端子处电压恒定的镜像区域的时间段。
[0010]JP-A-2008-29059还提出了一种配置，其中在同一半导体模块中设置温度监测器和外围电路部件。通过监测温度，可以限制高温下使用中的开关损耗。
[0011 ] 不过，在上述常规技术中，IGBT中的温度变化改变浪涌电压，即使在温度监测器检测温度时，在开关操作期间也可能发生浪涌电压。在温度变化时，可能发生过电压并且可能破坏IGBT。
[0012]一般公知的是，增大施加到IGBT控制端子的驱动电流增大控制端子电压的导通转换速率并且提高开关速度。JP-A-2001-169407(对应于US2007/0002782)披露，在IGBT温度和可允许浪涌击穿电压之间的关系中，较低温度区域表示比较高温度范围更小的可允许浪涌击穿电压。
[0013]可以预先确定小的驱动电流，以便提供小的导通转换速率，以防止IGBT温度变化时有浪涌电压。不过，减小施加到控制端子的驱动电流降低了开关速度并增大了开关损耗。
[0014]已经描述了驱动作为半导体开关装置的IGBT的驱动电路。显然地，IGBT是装置的范例。在其它半导体开关装置中也可能发生上述问题。
【发明内容】
[0015]本公开的目的是提供一种能够改进短路容量并且能够限制损耗增加的负载驱动设备。本公开的另一目的是提供一种半导体开关装置驱动设备，其能够限制由于半导体开关装置中温度变化导致的浪涌电压的发生和变化，并且能够减少开关损耗。
[0016]根据本公开第一方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、温度检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制开关装置的栅极电压来导通开关装置并向负载供应电流，使得开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。温度检测电路检测开关装置的温度。所述算术装置基于温度检测电路检测的温度来计算与所述镜像电压的变化对应的电压并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0017]根据第一方面的负载驱动设备能够限制损耗增加，同时改善短路容量。
[0018]根据本公开第二方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、电流检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制开关装置的栅极电压来导通开关装置并且向负载供应电流，使得所述开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述电流检测电路检测从所述开关装置向所述负载供应的输出电流。所述算术装置基于从所述开关装置供应并且由电流检测电路检测的输出电流来计算与所述镜像电压的变化对应的电压，并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0019]根据第二方面的负载驱动设备能够限制损耗增加，同时改善短路容量。
[0020]根据本公开第三方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、镜像电压检测电路和算术装置。所述开关装置控制负载的电流供应的开关状态。所述栅极驱动电路通过控制所述开关装置的栅极电压来导通开关装置并且向所述负载供应电流，使得开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述镜像电压检测电路通过检测施加到所述负载的开关装置的栅极电压来检测镜像电压。所述算术装置基于所述镜像电压检测电路检测的镜像电压来计算与所述镜像电压的变化对应的电压，并且控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0021]根据第三方面的负载驱动设备能够限制损耗的增加，同时改善短路容量。
[0022]根据本公开第四方面的负载驱动设备包括开关装置、栅极驱动电路、箝位电路、开关、恒流源、电压检测电路和算术装置。所述开关装置包括第一电极和第二电极，在控制栅极电压时，控制通往负载的电流供应线的开关状态，所述第一电极耦合到所述电流供应线的电源侧，所述第二电极耦合到所述电流供应线的基准点侧。所述栅极驱动电路通过控制所述开关装置的栅极电压来导通所述开关装置并且向负载供应电流，使得所述开关装置工作在开关装置处于不饱和区域中的完全导通状态。所述箝位电路将所述开关装置的栅极电压钳位到箝位电压，所述箝位电压低于完全导通状态下的栅极电压并且高于镜像电压。所述开关在所述开关装置的栅极和集电极之间造成短路。所述恒流源产生恒定电流以便以恒定电流驱动所述开关装置。所述电压检测电路利用所述开关在所述开关装置的栅极和集电极之间造成短路，以所述恒流源产生的恒定电流驱动所述开关装置，并且检测所述栅极和开关装置的第二电极之间的电压。所述算术装置基于所述电压检测电路检测的栅极和第二电极之间的电压学习栅极阈值电压变化和电流放大系数变化中的至少一个，基于学习结果计算与镜像电压变化对应的电压并控制所述箝位电路中的箝位电压，使得所述箝位电压等于所计算的电压。
[0023]根据第四方面的负载驱动设备能够限制损耗增大，同时改善短路容量。
[0024]根据本公开第五方面的半导体开关装置驱动设备包括半导体开关装置、驱动部分、控制部分和温度检测部分。所述半导体开关装置包括控制端子。所述驱动部分向所述半导体开关装置的控制端子供应驱动电流。配置所述驱动部分，利用驱动电流大小的增加来缩短所述半导体开关装置导通之前所过去的时间。所述控制部分通过允许或不允许从所述驱动部分向所述控制端子供应驱动电流控制所述半导体开关装置的开关状态。所述温度检测部分检测所述半导体开关装置的装置温度和所述半导体开关装置的环境温度之一。所述驱动部分根据所述温度检测部分检测的装置温度和环境温度之一改变供应给所述控制端子的驱动电流大小。
[0025]根据第五方面的半导体开关装置驱动设备能够限制由于所述半导体开关装置中温度变化导致的浪涌电压的发生和变化并且能够减少开关损耗。
【附图说明】
[0026]在结合附图考虑时，从以下详细描述，本公开的其它目的和优点将更显而易见。在附图中:
[0027]图1是示出了根据本公开第一实施例的负载驱动设备的电路图；
[0028]图2A是示出了将栅极驱动电路配置为两级电压驱动系统的情况下栅极驱动电路的电路图，图2B是示出了栅极驱动电路被配置为恒流系统的情况下的栅极驱动电路的电路图；
[0029]图3是示出了根据第一实施例的箝位电路范例的电路图；
[0030]图4是根据本公开第二实施例的箝位电路的电路图；
[0031]图5是示出了根据本公开第三实施例的负载驱动设备的电路图；
[0032]图6是示出了根据本公开第四实施例的负载驱动设备的电路图；
[0033]图7是示出了根据本公开第五实施例的负载驱动设备的电路图；
[0034]图8是示出了根据本公开第六实施例的负载驱动设备的电路图；
[0035]图9是示出了根据第六实施例的负载驱动设备操作的时序图；
[0036]图10是示出了根据本公开第七实施例的负载驱动设备的电路图；
[0037]图11是示出了根据本公开第八实施例的半导体开关装置驱动设备的示意图；
[0038]图12是示出了将温度敏感二极管用作温度检测部分的情况下的半导体开关装置驱动设备的示意图；
[0039]图13是不出了图1所不半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0040]图14是示出了根据第八实施例的半导体开关装置驱动设备温度和驱动电流之间关系的曲线图；
[0041]图15是示出了根据第八实施例的半导体开关装置驱动设备操作的时序图；
[0042]图16是示出了根据本公开第九实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0043]图17是示出了根据本公开第十实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0044]图18是示出了根据本公开第十一实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0045]图19是示出了根据第十一实施例的半导体开关装置温度和驱动电流之间关系的曲线图；
[0046]图20是示出了根据本公开第十二实施例的半导体开关装置驱动设备的电路图；
[0047]图21是示出了根据第十二实施例的半导体开关装置温度和驱动电流之间关系的曲线图；以及
[0048]图22是示出了根据本公开第十三实施例的半导体开关装置驱动设备的示意图；以及
[0049]图23A是示出了根据现有技术的正常运行中的IGBT操作的时序图，图23B是示出了根据现有技术短路运行中的IGBT操作的时序图。
【具体实施方式】
[0050]将参考附图更详细地描述本公开的实施例。在所有附图中，由相同的附图标记或符号指示超过一个实施例中的同样或等价元件。
[0051](第一实施例)
[0052]将参考例如图1描述根据本公开第一实施例的负载驱动设备。
[0053]图1所示的负载驱动设备包括作为开关装置的IGBT 1、栅极驱动电路2、箝位电路3、温度检测电路4以及算术装置5.1GBT I与负载(未示出)耦合。负载驱动设备能够通过导通IGBT向负载供电。
[0054]栅极驱动电路2驱动IGBT I。IGBT I的集电极耦合到电源。IGBT I的发射极用作预定电势的参考点。负载与IGBT I的集电极或发射极耦合。负载可以是根据电源的开关状态而被驱动的任何设备。例如，在逆变器包括多个IGBT I时，可以将三相电动机用作负载。在这种情况下，可以将图1中所示的负载驱动设备用作针对三相的每一相的上臂和下臂。如果图1中所示的负载驱动设备被用作上臂，将IGBT I的集电极耦合到电源，将发射极耦合到三相电动机。如果图1中所示的负载驱动设备被用作下臂，将IGBT I的集电极耦合到三相电动机，将发射极耦合到地。
[0055]形成IGBT I的芯片包括温度敏感二极管(TSD) Ia作为温度检测部分。温度敏感二极管Ia根据IGBT I的温度产生输出信号，由此能够检测IGBT I的温度。例如，温度敏感二极管Ia包括多个串联耦合的二极管。产生温度敏感二极管Ia和温度检测电阻器(未示出)之间的电势作为与IGBT I温度对应的输出电势。输出电势随着二极管正向电压Vf的温度特性而改变。于是，可以将输出电势用作温度信息来检测IGBT I的温度。
[0056]栅极驱动电路2导通IGBT I以控制向负载供电。具体而言，栅极驱动电路2从诸如微型计算机(未示出)的控制部分接收到IN信号，作为驱动IGBT I的控制信号。栅极驱动电路2基于IN信号控制IGBT 1，由此控制到负载的电流供应。可以将栅极驱动电路2配置为以下系统中的任一个。一种是两级电压驱动系统，其将栅极电压变为箝位电压以及能够实现完全导通状态的更大电压。另一种是恒流系统，使用恒流驱动电路保持向栅极供应恒定电流。
[0057]图2A是示出了在将栅极驱动电路2配置为两级电压驱动系统的情况下的栅极驱动电路2的电路图。栅极驱动电路2包括导通电路和截止电路。导通电路包括串联耦合的开关21a和电阻器22a。截止电路包括串联耦合的开关21b和电阻器22b。来自微型计算机的IN信号控制开关21a和21b的开关状态。为了导通IGBT 1，经由导通电路向IGBT I的栅极施加栅极电压VG。为了截止IGBT 1，经由截止电路将IGBT I的栅极耦合到地。
[0058]图2B是示出了在将栅极驱动电路2配置为恒流系统的情况下的栅极驱动电路2的电路图。栅极驱动电路2包括导通电路和截止电路。导通电路包括串联耦合的恒流源23和电阻器24。截止电路包括串联親合的开关25和电阻器26。为了导通IGBT 1，导通电路的恒流源23基于来自微型计算机的IN信号产生恒定电流。向IGBT I的栅极供应恒定电流。为了截止IGBT 1，经由截止电路将IGBT I的栅极耦合到地。
[0059]可以将栅极驱动电路2配置为两级电压驱动系统或恒流系统。图2B例示了截止电路包括开关25和电阻器26的恒流系统配置。类似于导通电路，可以将截止电路配置为恒流源和电阻器的组合。
[0060]在IGBT I从截止状态变为导通状态时，箝位电路3暂时将IGBT I的栅极电压钳位到箝位电压。根据本实施例的箝位电路3能够根据镜像电压的变化改变箝位电压。基于算术装置5的控制电压控制来控制箝位电路3用于钳位所用的箝位电压。
[0061]图3所示的箝位电路3仅具有电流下拉(sink)能力，并且包括运算放大器31、基准电压电路32和MOSFET 33。如图3所示，运算放大器31的反相输入端子耦合在IGBT I的栅极和MOSFET的漏极之间。运算放大器31的非反相输入端子耦合到基准电压电路32。运算放大器31的输出端子耦合到MOSFET 33的栅极。
[0062]在由算术装置5的控制电压控制调节从基准电压电路32产生的基准电压Vref时，调节运算放大器31的输出端子的输出，使得IGBT I的栅极电压接近基准电压Vref，并控制从MOSFET 33流动的电流。具体而言，在栅极电压低于基准电压Vref时，MOSFET 33截止。在栅极电压达到基准电压Vref时，MOSFET 33开始基于来自运算放大器31的输出信号工作。调节运算放大器31的输出信号，使得栅极电压依从基准电压Vref。因此，可以将IGBT I的栅极电压箝位到相当于基准电压Vref的箝位电压。
[0063]温度检测电路4基于例如来自温度敏感二极管Ia的温度信息或上述温度敏感二极管Ia和温度检测电阻器之间的输出电势检测IGBT I的温度。温度检测电路4向算术装置5发送检测结果。
[0064]算术装置5通过计算用于调节箝位电路3的箝位电压并执行控制电压控制的控制电压来调节与温度检测电路4的检测结果对应的箝位电压。镜像电压随着IGBT I的温度变化。可以从IGBT I的温度估计镜像电压变化。根据镜像电压的变化调节箝位电压。具体而言，基于以下方程(I)计算镜像电压。
[0065]Vmirror = Vth+ V (lc/gm)..(I)
[0066]在方程(I)中，Vmirror表不镜像电压，Vth表不IGBT I的栅极阈值电压，gm表不电流放大系数，Ic表示IGBT I的输出电流。
[0067]在方程(I)中，栅极阈值电压Vth和电流放大系数gm随着温度变化。镜像电压Vmirror还随着取决于温度的栅极阈值电压Vth和电流放大系数gm变化。因此，可以基于检测的IGBT I的温度估计镜像电压Vmirror的变化。执行控制电压控制，从而根据镜像电压Vmiiror的变化计算箝位电压。可以将箝位电压减小到与所检测温度下的镜像电压Vmirror对应的值。
[0068]上述配置提供了根据本实施例具有短路保护功能的负载驱动设备。
[0069]根据本实施例的负载驱动设备计算每次驱动IGBT I时的箝位电压。温度检测电路4基于温度信息检测IGBT I的温度。基于检测到的温度，算术装置5计算与镜像电压Vmirror的变化对应的箝位电压。执行控制电压控制，以便确保算术装置5计算的箝位电压。因此，可以将箝位电路3调节的箝位电压控制在与镜像电压Vmiiror的变化对应的低电压。
[0070]如上所述检测IGBT I的温度。然后，基于检测的温度，根据镜像电压Vmiiror的变化计算箝位电压。因此，可以将箝位电压减小到与所检测温度下的镜像电压Vmirror对应的值。可以考虑镜像电压Vmirror的最大变化，亦即，考虑包括所有环境变化的最大值设计箝位电压。因此，可以改善短路容量，同时限制IGBT I在钳位期间增大损耗。
[0071]IGBT I实际设置有感测端子，图1中未示出。电流经过感测端子流经IGBT I的主单元，并以预定速率减小以产生感测电流。基于感测电流，算术装置5检测断开或过电流状态。断开状态禁止电流流动。过电流状态允许过剩电流流动。此外，算术装置5基于来自温度检测电路4的温度信息检测IGBT I的过热状态。在过热状态下在高温下加热IGBT I。如果未检测到断开、过电流或过热状态，算术装置5在预定时间输出解除箝位信号并允许箝位电路3解除IGBT I栅极的钳位。IGBT I的栅极电压一直增大到完全导通状态。IGBTI工作在完全不饱和状态以向负载供应电流。
[0072](第二实施例)
[0073]将描述根据本公开第二实施例的负载驱动设备。本实施例修改了根据第一实施例的箝位电路3的配置。根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0074]如图4所示，根据本实施例的箝位电路3仅有电流下拉能力，包括沿正向耦合的二极管34、沿反向耦合的齐纳二极管35以及分别与二极管34和齐纳二极管35并联耦合的开关36和37。
[0075]算术装置5的控制电压控制导通或断开开关36和37以能够通过二极管34的正向电压Vf和齐纳二极管35的齐纳击穿电压的组合调节箝位电压。例如，断开开关36并导通开关37使得能够通过二极管34的正向电压Vf调节箝位电压。导通开关36并断开开关37使得能够通过齐纳二极管35的齐纳击穿电压调节箝位电压。断开开关36和开关37使得能够通过二极管34的正向电压Vf和齐纳二极管35的齐纳击穿电压之和调节箝位电压。二极管34和齐纳二极管35用于在根据开关36和37的选择到达二极管34的正向电压Vf和齐纳二极管35的齐纳电压时对栅极电压进行钳位。为了禁用箝位，断开开关36和37，并且将箝位电压增大至高于实际工作电压，使得不再工作。
[0076]图4示出了一个二极管34和一个齐纳二极管35。此外，可以耦合多个二极管34和多个齐纳二极管35。可以利用二极管34的正向电压Vf之和或齐纳二极管35的齐纳击穿电压之和调节箝位电压。
[0077]二极管34、齐纳二极管35和开关36和37可以通过这种方式配置箝位电路3。具有上述配置的箝位电路3能够提供类似于第一实施例的效果。
[0078](第三实施例)
[0079]将描述根据本公开第三实施例的负载驱动设备。本实施例修改了根据第一实施例的温度检测技术。根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0080]如图5所示，提供冷却器6用于对诸如IGBT I的开关装置散热并从IGBT I释放热量，以防止IGBT I过热。冷却器6包括温度传感器6a。可以将来自温度传感器6a的检测信号用作用于温度检测电路4的温度信息以检测IGBT I的温度。为冷却器6提供温度传感器6a，可以间接检测IGBT I的温度。可以将冷却器6提供为水冷型或气冷型。对于水冷型，温度传感器6a可以检测水温。对于气冷型，温度传感器6a可以检测空气温度。亦即，温度传感器6a可以检测用于冷却的冷却介质的温度。
[0081](第四实施例)
[0082]将描述根据本公开第四实施例的负载驱动设备。根据本实施例的负载驱动设备检测来自IGBT I的输出电流，由此计算镜像电压Vmirror的变化而不是根据第一实施例的温度检测，根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0083]如图6所示，IGBT I包括主单元和感测单元。在主单元中，有输出电流流动，用于向负载供电。在感测单元中，有感测电流流动，感测电流是从以预定速率减小输出电流而流经主单元的输出电流产生的。如图6所示，提供电流检测电路7以基于从感测端子流动的感测电流来检测电流。具体而言，为电流检测电路7供应电流信息，亦即，感测端子和耦合到感测端子的感测电阻器8之间的电势，由此检测流经IGBT I的主单元的输出电流。
[0084]如方程(I)中表示的，镜像电压Vmirror取决于来自IGBT I的输出电流以及IGBTI的温度。检测来自IGBT I的输出能够确定与针对输出电流的镜像电压Vmirror变化对应的箝位电压并保持低箝位电压。因此，检测来自IGBT I的输出还能够提供根据第一实施例的效果。
[0085](第五实施例)
[0086]将描述根据本公开第五实施例的负载驱动设备。根据本实施例的负载驱动设备还如第四实施例中所述通过检测来自IGBT I的输出电流计算镜像电压Vmirror的变化。
[0087]如图7所示，提供电流检测部分9以产生电流信息，亦即，与来自IGBT I的输出电流对应的输出。为电流检测电路7供应来自电流检测部分9的输出作为温度信息。因此，电流检测电路7检测流经IGBT I的主单元的输出电流。例如，可以将霍尔器件用作电流检测部分9。输出电流流经耦合到IGBT I的发射极或集电极的电流供应线并产生磁场。霍尔器件将产生的磁场转换成电信号并输出电信号。
[0088]电流检测部分9能够直接检测来自IGBT I的输出电流。像第四实施例那样，第五实施例能够提 供第一实施例中描述的效果。
[0089](第六实施例)
[0090]将描述根据本公开第六实施例的负载驱动设备。根据本实施例的负载驱动设备检测镜像电压Vmirror，由此计算镜像电压Vmirror的变化而不是根据第一实施例的温度检测或根据第四实施例检测来自IGBT I的输出电流。根据本实施例的负载驱动设备的其它特征类似于根据第一实施例的负载驱动设备的特征。于是，将仅描述与第一实施例的差异。
[0091]如图8所示，提供镜像电压检测部分10以检测IGBT I的栅极电压。镜像电压检测部分10直接检测栅极电压作为镜像电压。例如，镜像电压检测部分10始终检测IGBT I的栅极电压。镜像电压检测部分10通知算术装置5与栅极电压对应的值，算术装置5保存该值。算术装置5保存镜像电压Vmirror的值，该值在图9所示的时段Tx期间生效。算术装置5计算与镜像电压Vmirror对应的箝位电压。控制电压控制最终调节箝位电压。
[0092]可以以上述方式直接检测镜像电压Vmirror。因此，根据本实施例的负载驱动设备还可以提供第一实施例中所述的效果。
[0093]此外，可以如下检测镜像电压Vmirror。
[0094]镜像电压在镜像周期内生效。通常情况下，镜像周期短，以便减少开关损耗。可以在那时检测栅极电压以在IN信号之后过去预定时间之后开始镜像时段。可以检测栅极电压作为镜像电压Vmiiror。栅极电压可以基于预定流程根据IGBT I的栅极容量升高。可以假设从栅极电压超过阈值过去预定时间之后Vmirror生效。可以在那时检测栅极电压并可以假设为镜像电压Vmirror。
[0095](第七实施例)
[0096]将描述根据本公开第七实施例的负载驱动设备。根据第一到第六实施例的负载驱动设备检测由于IGBT I的环境变化导致的镜像电压Vmirror变化。另一方面，根据本实施例的负载驱动设备一开始学习在启动时用于IGBT I的栅极阈值电压Vth，并学习由于IGBTI制造变化导致的栅极阈值电压Vth变化造成的镜像电压Vmirror变化。
[0097]如图10所示，负载驱动设备包括恒流源11、开关12和电压检测电路13。恒流源11向IGBT I的栅极和集电极供应恒定电流。开关12导通或断开供应给集电极的恒定电流。电压检测电路13检测栅极阈值电压Vth。为了根据这种配置进行初始学习，初始学习信号导通开关12以使栅极和集电极之间短路。此外，初始学习信号允许恒流源11产生恒定电流。结果，恒定电流能够驱动IGBT 1可以检测针对IGBT I的栅极阈值电压Vth，同时电压检测电路13检测栅极和发射极之间的电压或集电极和发射极之间的电压。
[0098]向算术装置5供应初始学习信号，向算术装置5通知初始学习条件。算术装置5发现栅极阈值电压Vth与电压检测电路13中检测的栅极阈值电压Vth的差异并且学习(存储)该差异。算术装置5使用栅极阈值电压Vth的变化以基于上述方程(I)计算镜像电压Vmirror0算术装置5计算与计算的镜像电压Vmirror对应的箝位电压。算术装置5的栅极阈值电压Vth变化可能相当于镜像电压Vmirror的变化或箝位电压或控制电压控制的控制量(用于图3所示基准电压电路32的基准电压Vref或图4中所示的开关36和17的开关状态)。在驱动IGBT I向负载供应电流时，算术装置5基于学习结果确定箝位电压。
[0099]算术装置5能够一开始学习栅极阈值电压Vth并且能够基于学习结果确定箝位电压。因此，根据本实施例的负载驱动设备提供类似于第一实施例的效果。如果算术装置5在初始学习时改变恒定电流值，测量那时栅极和发射极之间的电压以及栅极阈值电压Vth，并计算电流放大系数gm，类似的效果也是有的。
[0100]假设在驱动IGBT I之前执行初始学习。除了这种情况之外，算术装置5可以在对半导体器件模块化时，亦即，在半导体器件制造阶段中一次性学习栅极阈值电压Vth，并可以在存储器等中存储学些结果。
[0101]上述第一到第七实施例使用IGBT I作为开关装置的范例。开关装置还可以包括半导体开关装置，例如功率MOSFET以及IGBT I。在这种情况下，根据第七实施例的学习仅需要检测栅极和源极之间的电压。换言之，开关装置的第一电极(集电极或漏电极)耦合到通往负载的电流供应线的电源侧，开关装置的第二电极(发射极或源电极)耦合到基准点侧。开关装置通过控制栅极电压来控制电流供应线的开关状态。可以通过检测栅极和第二电极之间的电压来进行学习。
[0102]提供栅极驱动电路2和箝位电路3作为电路范例。如果电路配置确保了类似操作，也可以有其它电路配置。在根据第七实施例的负载驱动设备中，恒流源11设置于IGBTI的集电极侧。恒流源11也可以设置于发射极侧。
[0103](第八实施例)
[0104]将描述根据本公开第八实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备使用恒定电流驱动诸如IGBT和功率MOSFET的半导体开关装置。
[0105]如图11所示，该半导体开关装置驱动设备包括半导体开关装置110、温度检测部分120、信号发生部分130和驱动部分140。
[0106]半导体开关装置110驱动负载(未示出)。在本实施例中，采用N沟道型IGBT I作为半导体开关装置110。半导体开关装置110包括控制端子111作为栅极。控制端子111耦合到驱动部分140。负载(未示出)耦合到半导体开关装置110的源极侧或漏极侧。向控制端子111施加驱动电流i，由此驱动半导体开关装置110。
[0107]温度检测部分120检测半导体开关装置110的装置温度或半导体开关装置110的环境温度。如图12所示，在本实施例中，采用半导体开关装置110中包括的温度敏感装置(TSD)作为温度检测部分120。可以为诸如IGBT的功率装置提供温度敏感装置，其检测装置的工作温度。温度敏感装置包括例如形成于IGBT绝缘层上的二极管。在温度检测部分120包括温度敏感装置的情况下，在IGBT I的工作温度包括时，二极管的输出(正向电压)减小。
[0108]温度检测部分120向信号发生部分130输出与温度对应的电压作为检测结果(温度信息Va)。在本实施例中，在半导体开关装置110的温度升高时，温度信息Va的值也增大。
[0109]信号发生部分130从温度检测部分120接收检测结果。基于检测结果，信号发生部分130产生并且输出电流控制信号，电流控制信号改变施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流。
[0110]驱动部分140产生施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i并向控制端子111施加驱动电流i以驱动半导体开关装置110。驱动部分140的能力或开关速度取决于驱动电流i。到半导体开关装置110导通之前需要导通时间。增大驱动电流缩短了导通时间。缩短导通时间提高了开关速度。
[0111]已经描述了半导体开关装置驱动设备的概要。下文参考图13描述半导体开关装置驱动设备的具体电路配置。
[0112]如图12所示，温度检测部分120被配置为温度敏感装置并包括在半导体开关装置110 中。
[0113]信号发生部分130包括比较器131a、参考电压源131b和与门电路131c。比较器131a比较来自温度检测部分120的检测结果(温度信息Va)和针对检测设置的温度阈值，并且将比较结果作为比较信号S输出。基准电压源131b产生用作温度阈值的基准电压。为比较器131a的非反相输入端子(+)供应与来自温度检测部分120的温度对应的电压。为比较器131a的反相输入端子(_)供应基准电压作为温度阈值。如果Va超过温度阈值，比较器131a输出高电平比较信号。如果Va小于温度阈值，比较器131a输出低电平比较信号。
[0114]如果驱动信号和比较信号都高，与门电路131c输出高电平电流控制信号。如果驱动信号和比较信号之一是低的，与门电路131c输出低电平电流控制信号。
[0115]驱动部分140包括可变恒流电路141、第一转换开关142a和第二转换开关142b。可变恒流电路141包括第一电阻器143 (图13中的Rl)、第二电阻器144 (图13中的R2)、运算放大器145、开关装置146和恒流源147。
[0116]第一电阻器143用于感测并且被供应有与流向半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i对应的电流。第一电阻器143的一端耦合到电源160 (图13中的VB)，第一电阻器143的另一端耦合到开关装置146。第二电阻器144的一端耦合到电源160，第二电阻器144的另一端耦合到恒流源147。
[0117]运算放大器145基于第二电阻器144另一端处的电压反馈控制流向第一电阻器143的电流，由此调节供应给半导体开关装置110控制端子111的驱动电流i的大小。
[0118]运算放大器145的非反相输入端子⑴耦合到第二电阻器144的另一端和恒流源147之间的连接点。结果，为运算放大器145的非反相输入端子供应与第二电阻器144的另一端对应的第一电压。在VB表示电源160的电压时，Ia表示流到第二电阻器144的电流，R2表示第二电阻器144的电阻值，第一电压对应于从电源电压减去基准电压获得的电压(VB-1aXR2)。
[0119]运算放大器145的反相输入端子(_)耦合到第一电阻器143的另一端。结果，为运算放大器145的反相输入端子供应与第一电阻器143的另一端对应的第二电压。在i表示流向第一电阻器143的电流时，Rl表示第一电阻器143的电阻值，第二电压对应于从电源电压减去第一电阻器143的电压降获得的电压(VB-1XRl)。
[0120]开关装置146是由运算放大器145的输出驱动的半导体装置。在本实施例中，采用P沟道型MOSFET作为开关装置146。开关装置146的栅极耦合到运算放大器145的输出端子，开关装置146的源极耦合到第一电阻器143的另一端。开关装置146的漏极耦合到半导体开关装置110的控制端子111。
[0121]恒流源147能够改变流向第二电阻器144的基准电流Ia的量并且耦合在第二电阻器144的另一端和地之间。恒流源147包括第一恒流源148、第二恒流源149a和开关149b ο
[0122]第二恒流源149a经由开关149耦合到第二电阻器144的另一端。第一恒流源148直接耦合到第二电阻器144的另一端。开关14%根据从信号发生部分130供应的电流控制信号导通或断开。在本实施例中，高电平电流控制信号导通开关14%，低电平电流控制信号断开开关149b。
[0123]第一恒流源148和第二恒流源149a可以具有相同或不相同的电流能力。根据设计可以为恒流源148和149a提供电流能力，该设计指定开关14%导通或断开时向第二电阻器144供应的电流大小。
[0124]在电流控制信号导通开关14%时，第二电阻器144中流动第一电流值的电流。第一电流值是流向第二恒流源149a的电流和流向第一恒流源148的电流之和。另一方面，在电流控制信号断开开关149b时，从电源160和地之间去耦流向第二恒流源149a的电流。于是，第二电阻器144中仅有向第一恒流源148供应的电流流动。向流向第一恒流源148的电流分配第二电流值。在断开开关149b时，第二电流值的电流小于第二电阻器144中流动的第一电流值。换言之，如果来自温度检测部分120的检测结果表明超过温度阈值的高温，恒流源147供应第一电流值的电流。另一方面，如果来自温度检测部分120的检测结果表明低于温度阈值的温度，恒流源147供应小于第一电流值的第二电流值。已经描述了可变恒流电路141的配置。
[0125]第一转换开关142a和第二转换开关142b通过根据驱动信号允许或不允许驱动部分140向控制端子111供应驱动电流I来控制半导体开关装置110的开关状态。在本实施例中，“允许”对应于断开第一转换开关142a和第二转换开关142b。“不允许”对应于导通第一转换开关142a和第二转换开关142b。
[0126]第一转换开关142a親合在电源160和运算放大器145的输出端子之间。在本实施例中，采用P沟道型MOSFET作为第一转换开关142a。第一转换开关142a的源极耦合到电源160，第 一转换开关142a的漏极親合到运算放大器145的输出端子。
[0127]第二转换开关142b耦合在控制端子111和地之间。在本实施例中，采用N沟道型MOSFET作为第二转换开关142b。第二转换开关142b的源极耦合到半导体开关装置110的控制端子111，第二转换开关142b的漏极耦合到地。
[0128]逆变器142c耦合到第二转换开关142b的栅极。驱动信号经由逆变器142c输入到第二转换开关142b。驱动信号直接输入到第一转换开关142a。输入到开关142a和142b之一的信号在输入到其它开关时进行反转。图11和图12仅示出了第二转换开关142b。
[0129]在本实施例中，例如从外部ECU输入驱动信号。在本实施例中，高电平驱动信号导通半导体开关装置110。
[0130]参考图14和图15，下文描述图11到图13所示的半导体开关装置驱动设备的操作。在以下描述中，调用温度检测部分120检测到的装置温度或环境温度，简而言之，即半导体开关装置110的温度。
[0131]在上述配置中，驱动部分140根据半导体开关装置110的温度改变施加到控制端子111的驱动电流i的大小，同时温度检测部分120检测温度。具体而言，升高半导体开关装置110的温度增大了驱动电流i。原因如下。在低温下容易发生浪涌，驱动电流i减小以抑制浪涌的发生和变化。在高温下几乎不发生浪涌，驱动电流i增大，以提高开关速度。
[0132]在图14中，“Tl”表示上述温度阈值。如果半导体开关装置110的温度超过温度阈值Tl，逐步增大驱动电流i。如果温度低于或等于温度阈值Tl，驱动电流i的大小对应于恒流源147的第二电流值。如果温度高于或等于温度阈值Tl，驱动电流i的大小对应于恒流源147的第一电流值。
[0133]将描述图15中所示的时序图。在时间点X10，供应给驱动部分140的驱动信号从低电平变为高电平，以断开第一转换开关142a和第二转换开关142b。运算放大器145驱动开关装置146。驱动电流i流向半导体开关装置110的控制端子111。
[0134]可变恒流电路141反馈控制流向第一电阻器143的电流大小，使得对应于第一电阻器143的另一端的第一电压等于对应于第二电阻器144的另一端的第二电压。
[0135]在可变恒流电路141中的运算放大器145的输入端子处维持相同的电势。具体而言，运算放大器145控制开关装置146，使得对应于第一电阻器143的另一端的第一电压(VB-1XRl)等于对应于第二电阻器144的另一端的第二电压(VB-1aXR2)。将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaXR2)/Rl。施加流向第一电阻器143的基准电流Ia作为通往半导体开关装置110的控制端子111的恒定驱动电流i。换言之，由于表达为i =(IaXR2)/Rl，与流向第二电阻器144的基准电流Ia的大小成比例的电流在第一电阻器143中向控制端子111流动。
[0136]换言之，运算放大器145比较施加到控制端子111的驱动电流i和基准电流la。运算放大器145通过改变与基准电流Ia对应的输出来改变施加到控制端子111的驱动电流i，基准电流Ia随着电流控制信号变化。
[0137]在时间点X10，温度信息Va低于温度阈值Tl。信号发生部分130的比较器131a输出低电平比较信号S。与门电路131c还输出低电平电流控制信号。断开恒流源147的开关149b。因此，第二电阻器144仅允许小于第一电流值的第二电流值的电流。这个电流作为基准电流Ia流向第一恒流源148。
[0138]在时间点XII，温度信息Va超过温度阈值Tl。信号发生部分130的比较器131a输出高电平比较信号S。与门电路131c还输出高电平电流控制信号。导通恒流源147的开关149b。因此，第一电流值的电流作为基准电流Ia流入第二电阻器144，基准电流Ia对应于流向第二恒流源149a的电流和流向第一恒流源148的电流之和。在第一电阻器143中，流动着与第一电流值成比例的电流。结果，驱动电流i在时间点Xll增大，如图15中所示。通过这种方式，驱动部分140基于来自比较器131a的比较结果改变施加到控制端子111的驱动电流。驱动电流i可以在高温下增大，几乎不会导致浪涌。半导体开关装置110能够提尚转换速率，由此提尚开关速度。
[0139]在后继的时间点X12，输入到驱动部分140的驱动信号从高电平变为低电平。断开半导体开关装置110的指令导通第一转换开关142a和第二转换开关142b并且断开开关装置146。经由第二转换开关142b向地释放控制端子111中存储的电荷。控制端子111处的栅极电压变得低于阈值电压并且断开半导体开关装置110。
[0140]如上所述，如果在半导体开关装置110保持导通的时间内半导体开关装置110的温度变高，则驱动电流i增大。尽管在时序图中未示出，如果温度信息Va变得低于温度阈值Tl，基准电流Ia减小，驱动电流i也逐步减小。
[0141 ] 如上所述，在本实施例中，施加到控制端子111的驱动电流i根据半导体开关装置110的温度变化。可以减小驱动电流以降低低温下的转换速率，在低温下更可能导致浪涌。于是，可以限制由于半导体开关装置110中的温度变化导致的浪涌电压发生和变化。另一方面，可以增大驱动电流以提高高温下的转换速率，在高温下较不可能导致浪涌。因此，半导体开关装置110的开关速度增大。结果，可以减少开关损耗。于是，可以限制由于半导体开关装置110中的温度变化导致的浪涌电压发生和变化并且可以减少开关损耗。
[0142]在本实施例中，比较器131a能够用作温度比较部分，恒流源147能够用作电流源，运算放大器145能够用作电流比较部分，第一转换开关142a、第二转换开关142b和逆变器142c能够用作控制部分。
[0143](第九实施例)
[0144]将描述根据本公开第九实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备调节第二电阻器144的电阻值，由此调节施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i的量。
[0145]如图16所示，为可变恒流电路141提供第二电阻器144，第二电阻器144包括彼此串联耦合的电阻器144a (图16中的R21)和电阻器144b (图16中的R22)。电阻器144b的一端親合到电源160，电阻器144b的另一端親合到电阻器144a的一端。电阻器144a的另一端耦合到运算放大器145的非反相输入端子(+)。
[0146]第二电阻器144的电阻器144b与开关14%并联耦合，根据从信号发生部分130输出的电流控制信号导通或断开开关14%。在导通开关14%时，第二电阻器144的电阻值变为电阻器144a的电阻值。在断开开关14%时，第二电阻器144的电阻值变为电阻器144a和144b的电阻值之和。
[0147]信号发生部分130的配置类似于第八实施例中所述信号发生部分130的配置。不过，在本实施例中，低电平电流控制信号导通开关14%，高电平电流控制信号断开开关149b ο
[0148]驱动部分140包括供应预定基准电流Ia的恒流源147。根据本实施例的运算放大器145比较施加到控制端子111的驱动电流i和基准电流Ia或输出这些电流之间的差异。第二电阻器144的电阻值根据电流控制信号变化，以改变运算放大器145的输出，施加到控制端子111的驱动电流相应地变化。亦即，为运算放大器145供应与第一电阻器143的另一端对应的第一电压和与第二电阻器144的另一端或电阻器144a的另一端对应的第二电压。此外，运算放大器145驱动开关装置146，使得第一电压等于第二电压。
[0149]如果信号发生部分130判定温度信息Va低于温度阈值Tl，低电平电流控制信号导通开关149b。结果，基准电流Ia仅流向电阻器144a。在电阻器144a具有电阻值R21时，如上所述，将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaXR21)/Rlo在第一电阻器143a中，流动着与电阻器144a的电阻值R21成比例的电流。
[0150]另一方面，如果信号发生部分130判定温度信息Va超过温度阈值Tl，高电平电流控制信号断开开关149b。结果，基准电流Ia流向电阻器144a和144b两者。在电阻器144b具有电阻值R22时，如上所述，将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i =(IaX (R21+R22))/Rlo在第一电阻器143中，流动着与电阻器144a的电阻值R21和电阻器144b的电阻值R22之和成比例的电流。
[0151]根据电流控制信号，亦即，在断开开关14%时，驱动部分140增大基准电流Ia流向的第二电阻器144的电阻值。因此，驱动部分140改变运算放大器145的输出并且能够增大施加到控制端子111的驱动电流i。
[0152]如上所述，调节第二电阻器144的电阻值能够增大或减小施加到半导体开关装置110的控制端子111的驱动电流i。
[0153]在本实施例中，第二电阻器144能够用作可变电阻器，运算放大器145能够用作输出部分。
[0154](第十实施例)
[0155]将描述根据本公开第十实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备改变第一电阻器143的电阻值以改变驱动电流i。
[0156]如图17所示，为可变恒流电路141提供第一电阻器143，第一电阻器143包括彼此串联耦合的电阻器143a (图17中的Rll)和电阻器143b (图17中的R12)。电阻器143b的一端親合到电源160，电阻器143b的另一端親合到电阻器143a的一端。电阻器143a的另一端耦合到开关装置146。
[0157]在第一电阻器143中，电阻器143b与开关149b并联親合，根据从信号发生部分130输出的电流控制信号导通或断开开关14%。在导通开关14%时，第一电阻器143的电阻值变为电阻器143a的电阻值。在断开开关14%时，第一电阻器143的电阻值变为电阻器143a和143b的电阻值之和。在本实施例中，低电平电流控制信号导通开关14%，高电平电流控制信号断开开关14%。
[0158]信号发生部分130的配置类似于第八实施例中所述信号发生部分130的配置。类似于第九实施例，驱动部分140包括供应预定基准电流Ia的恒流源147。
[0159]在实施例中，如果信号发生部分130判定温度信息Va低于温度阈值Tl，则低电平电流控制信号断开开关14%。结果，所述电阻器143a和电阻器143b两者都配置第一电阻器143。在电阻器143a具有电阻值Rll并且电阻器143b具有电阻值12的时候，将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaX (R2))/(Rll+R12))o在第一电阻器143中，流动着与电阻器143a的电阻值Rll和电阻器144b的电阻值R12之和成反比的驱动电流i。驱动电流i小，因为分母很大。
[0160]另一方面，如果信号发生部分130判定温度信息Va超过温度阈值Tl，则高电平电流控制信号导通开关14%。结果，仅电阻器143a配置第一电阻器143。将流向第一电阻器143的驱动电流i表示为i = (IaXR2)/Rl。在第一电阻器143中，流动着与电阻器143a的电阻值Rll成比例的电流。驱动电流i大，因为分母很小。
[0161]如上所述，驱动部分140能够通过根据电流控制信号改变第一电阻器143的电阻值来改变施加到控制端子111的驱动电流i的大小。
[0162]在本实施例中，第一电阻器143能够用作可变电阻器。
[0163](第^^一实施例)
[0164]将描述根据本公开第十一实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备基于多个温度阈值以逐步的方式改变驱动电流i。
[0165]如图18中所示，信号发生部分130包括三个比较器131a到133a，基准电压源131b到133b以及与比较器131a到133a对应的与门电路131c到133c。为基准电压源131b提供基准电压作为温度阈值Tl。为基准电压源132b提供基准电压作为温度阈值T2。为基准电压源133b提供基准电压作为温度阈值T3。在本实施例中，温度阈值T1-T3满足关系T1〈T2〈T3。与 门电路131c到133c的每一个输出电流控制信号。
[0166]驱动部分140中的恒流源147包括与与门电路131c到133c对应的第二到第四恒流源149a到151a。开关149b到151b耦合到恒流源149a到151a。恒流源149a到151a可以有或没有相同的电流能力。
[0167]图19示出了半导体开关装置的温度和驱动电流i之间的关系。如果温度信息Va低于温度阈值Tl，所有开关14%到151b都断开。仅将来自第二恒流源149a的电流用作基准电流la。因此，基于i = (IaXR2)/Rl流动着驱动电流i。
[0168]如果温度信息Va超过温度阈值Tl，来自比较器131a和与门电路131c的输出变高。高电平电流控制信号导通开关149b。结果，来自第二恒流源149a的电流和来自第一恒流源148的电流之和变为基准电流la。将基准电流Ia增加来自第一恒流源148的电流。于是，驱动电流i也与基准电流Ia成比例地增大。
[0169]如果温度信息Va超过温度阈值T2，来自比较器131a和132a和与门电路131c和132c的输出变高。高电平电流控制信号导通开关149b和150b。结果，来自第一恒流源148的电流、来自第二恒流源149a的电流和来自第三恒流源150a的电流之和变为基准电流la。将基准电流Ia增加来自第一恒流源148和来自第三恒流源150a的电流。驱动电流i也与基准电流Ia成比例地增大。
[0170]如果温度信息Va超过温度阈值T3，来自比较器131a到133a和与门电路131c和133c的所有输出变高。高电平电流控制信号导通开关149b到151b。结果，来自所有恒流源148和149a到151a的电流之和变为基准电流la。驱动电流i也与基准电流Ia成比例地增大。
[0171]在关于半导体开关装置110的温度或温度信息Va依次超过温度阈值时，基准电流Ia依次增大来自恒流源149a到151a的电流。于是，如图19所示，逐步增大驱动电流i。类似地，在半导体开关装置110的温度降低时，温度信息Va按照T3、T3和Tl的顺序减小，驱动电流i也逐步减小。
[0172]如上所述，可以定义温度信息Va的多个温度阈值以逐步改变驱动电流I。已经描述了改变恒流源147的电流量的配置。此外，可以在第九和第十实施例所述的改变电阻值的配置中为温度信息Va定义多个温度阈值。在这种情况下，逐步改变电阻值以逐步改变驱动电流i。在这种情况下，利用多个电阻器串联耦合第一电阻器143和第二电阻器144，依次导通或断开与电阻器并联耦合的开关。
[0173](第十二实施例)
[0174]将描述根据本公开第十二实施例的半导体开关装置驱动设备。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备连续改变驱动电流i。
[0175]如图20所示，根据本实施例的信号发生部分130包括晶体管134、电阻器135和差分放大器136。
[0176]晶体管134是PNP型双极性晶体管。发射极耦合到驱动部分140中第二电阻器144的另一端。集电极耦合到电阻器135。晶体管134的基极耦合到差分放大器136的输出端子。电阻器135耦合在晶体管134和地之间。
[0177]差分放大器136如下驱动晶体管134。在非反相输入端子(+)处，为差分放大器136供应温度信息Va作为从温度检测部分120输出的基准电压。在反相输入端子(_)处，为差分放大器136供应发射极侧的电压并且输出输入之间的差分放大。
[0178]在根据本实施例的信号发生部分130中，晶体管134的发射极侧的电压对应于电流控制信号。换言之，信号发生部分130被供应来自温度检测部分120的检测结果并输出电流控制信号，基于间接结果连续改变大小。
[0179]根据本实施例的驱动部分140不包括恒流源147，例如，根据第八实施例，恒流源147包括在图13所示的驱动部分140中。信号发生部分130耦合到第二电阻器144和运算放大器145。
[0180]根据本实施例的半导体开关装置驱动设备连续改变温度信息Va，由此连续改变差分放大器136的输出。基准电流Ia根据温度信息Va连续变化。驱动电流i = (IaXR2)/Rl的值Ia连续改变。驱动电流i也连续变化。具体而言，增加温度信息Va也增加了来自差分放大器136的输出。基准电流Ia相应地增大。
[0181]如图21所示，半导体开关装置110的温度和驱动电流i具有成比例的关系。升高半导体开关装置110的温度以预定梯度增大了驱动电流i。
[0182]根据本实施例，将来自温度检测部分120的温度信息Va用作基准电压。晶体管134的栅极从差分放大器136接收输出。晶体管134的源极向差分放大器136馈送回输入。基准电流Ia连续变化。驱动部分140能够基于大小连续变化的电流控制信号连续改变供应给控制端子111的驱动电流i。可以对驱动电流i进行精细调谐。
[0183]在本实施例中，差分放大器136能够用作输出部分。
[0184](第十三实施例)
[0185]将描述根据本公开第十三实施例的半导体开关装置驱动设备。第一到第十二实施例使用温度敏感装置作为温度检测部分120。根据本实施例的半导体开关装置驱动设备使用冷却结构。
[0186]诸如半导体开关装置110的散热开关装置利用冷却结构散热，从而限制半导体开关装置110过热。
[0187]如图22中所示，根据本实施例的半导体开关装置驱动设备包括冷却结构121。为冷却结构121提供温度传感器(未示出)。可以将温度传感器输出的探测信号用作温度信息Va。温度传感器检测冷却结构121的温度以检测半导体开关装置110的温度。
[0188]可以针对水冷或气冷来设计冷却结构121。对于水冷，温度传感器仅需要检测水温。对于气冷，温度传感器仅需要检测空气温度。亦即，温度传感器仅需要检测冷却介质的温度。
[0189]半导体开关装置110能够使用冷却结构121以及温度敏感装置进行温度检测。
[0190]在本实施例中，冷却结构121能够用作温度检测部分。
[0191]根据第八到第十三实施例的半导体开关装置驱动设备具有温度敏感装置或冷却结构121作为检测半导体开关装置110温度的范例。也可以使用诸如热敏电阻器的电阻器。
[0192]在上述实施例中，第一转换开关142a和第二转换开关142b例如包括在驱动部分140中。可以彼此不同地配置驱动部分140、第一转换开关142a和第二转换开关142b。
[0193]可以适当地定义在信号的哪个电平(例如低或高电平)导通或断开上述实施例中描述的开关。也可以适当地定义信号电平的含义。
【主权项】
1.一种半导体开关装置驱动设备，包括: 半导体开关装置(110)，所述半导体开关装置(110)包括控制端子(111); 驱动部分(140)，所述驱动部分(140)向所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)供应驱动电流，配置所述驱动部分(140)，使得通过增加所述驱动电流的大小来缩短所述半导体开关装置(110)导通之前所过去的导通时间； 控制部分(142a，142b，142c)，所述控制部分(142a，142b，142c)通过允许或不允许从所述驱动部分(140)向所述控制端子(111)供应所述驱动电流来控制所述半导体开关装置(110)的开关状态；以及 温度检测部分(120，121)，所述温度检测部分(120，121)检测所述半导体开关装置(110)的装置温度和所述半导体开关装置(110)的环境温度之一， 其中所述驱动部分(140)根据所述温度检测部分(120，121)检测的所述装置温度和所述环境温度之一来改变供应给所述控制端子(Ul)的所述驱动电流的大小。2.根据权利要求1所述的半导体开关装置驱动设备，还包括: 信号发生部分(130)，所述信号发生部分(130)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果，并且根据所述检测结果输出电流控制信号，所述电流控制信号用于改变供应给所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小；以及 可变电阻器(143)，所述可变电阻器(143)耦合在电源(160)和所述控制端子(111)之间， 其中所述驱动部分(140)向所述控制端子(111)供应流向所述可变电阻器(143)的所述驱动电流，并且通过改变所述可变电阻器(143)的电阻值来改变向所述控制端子(111)供应的所述驱动电流的大小。3.根据权利要求1所述的半导体开关装置驱动设备，还包括 信号发生部分(130)，所述信号发生部分(130)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果，并且根据所述检测结果输出电流控制信号，所述电流控制信号用于改变供应给所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小， 其中所述驱动部分(140)包括其中流动基准电流的可变电阻器(144)和输出部分(145)， 其中所述可变电阻器(144)与电源(160)耦合， 其中所述输出部分(145)输出所述基准电流和供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流之间的比较结果和差异之一， 其中所述驱动部分(140)通过根据所述电流控制信号改变所述可变电阻器(144)的电阻值并且改变所述输出部分(145)的输出来改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小。4.根据权利要求1所述的半导体开关装置驱动设备，还包括 信号发生部分(130)，所述信号发生部分(130)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果，并且根据所述检测结果输出电流控制信号，所述电流控制信号用于改变供应给所述半导体开关装置(110)的所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小， 其中所述驱动部分(140)包括电流源(147)和电流比较部分(145)，在所述电流源(147)中流动着可变基准电流， 其中所述电流比较部分(145)将所述基准电流与供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流进行比较，并且 其中所述驱动部分(140)通过根据所述电流控制信号改变所述基准电流并且改变所述输出部分(145)的输出来改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流的大小。5.根据权利要求2-4中的任一项所述的半导体开关装置驱动设备， 其中所述信号发生部分(130)包括温度比较部分(131a)，所述温度比较部分(131a)将所述温度检测部分(120，121)的检测结果与至少一个温度阈值进行比较，并且输出比较结果j并且 其中所述驱动部分(140)基于所述温度比较部分(131a)的所述比较结果来改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流。6.根据权利要求2-4中的任一项所述的半导体开关装置驱动设备， 其中所述信号发生部分(130)包括输出部分(136)，所述输出部分(136)从所述温度检测部分(120，121)接收检测结果并且输出大小随着所述检测结果连续变化的电流控制信号，并且 其中所述驱动部分(140)基于大小连续变化的所述电流控制信号连续地改变供应给所述控制端子(111)的所述驱动电流。
【专利摘要】一种半导体开关装置驱动设备，包括：半导体开关装置，所述半导体开关装置包括控制端子；驱动部分，所述驱动部分向所述半导体开关装置的所述控制端子供应驱动电流，配置所述驱动部分，使得通过增加所述驱动电流的大小来缩短所述半导体开关装置导通之前所过去的导通时间；控制部分，所述控制部分通过允许或不允许从所述驱动部分向所述控制端子供应所述驱动电流来控制所述半导体开关装置的开关状态；以及，温度检测部分，所述温度检测部分检测所述半导体开关装置的装置温度和所述半导体开关装置的环境温度之一，其中所述驱动部分根据所述温度检测部分检测的所述装置温度和所述环境温度之一来改变供应给所述控制端子的所述驱动电流的大小。
【IPC分类】H03K17/14, H03K17/082
【公开号】CN104901663
【申请号】CN201510294357
【发明人】尾势朋久, 滨中义行, 千田康隆, 三浦亮太郎, 山本宪司
【申请人】株式会社电装
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2012年3月23日
【公告号】CN102694531A, CN102694531B, US20120242376
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