阅读说明：本技术 用于碳化硅双极结型晶体管的演进栅极驱动器 (Evolved gate driver for silicon carbide bipolar junction transistors ) 是由 A.P.阿里巴斯 M.克里希纳穆尔蒂 于 2018-06-11 设计创作，主要内容包括：一种栅极驱动器电路,包括传感器、放大器、调节器和栅极驱动器。该传感器被配置为感测集电极-发射极电压,并且包括串联连接的第一电阻器和第二电阻器,连接在串联连接的第一电阻器和第二电阻器之间的高压二极管,以及与第二电阻器并联连接的第一电容器。所述放大器被配置为放大传感器输出电压,并且包括借助于多个电阻器控制的非反相运算放大器,通过第一二极管连接至非反相运算放大器的输出端子的电压跟随器,以及跨接第一二极管和电压跟随器的第三电阻器。调节器被配置为基于放大器电压来调节调节器输出电压。该栅极驱动器被配置为将调节器输出电压连接/断开到BJT的基极端子。(A gate driver circuit includes a sensor, an amplifier, a regulator, and a gate driver. The sensor is configured to sense a collector-emitter voltage and includes a first resistor and a second resistor connected in series, a high voltage diode connected between the first resistor and the second resistor connected in series, and a first capacitor connected in parallel with the second resistor. The amplifier is configured to amplify a sensor output voltage and includes a non-inverting operational amplifier controlled by means of a plurality of resistors, a voltage follower connected to an output terminal of the non-inverting operational amplifier through a first diode, and a third resistor connected across the first diode and the voltage follower. The regulator is configured to regulate the regulator output voltage based on the amplifier voltage. The gate driver is configured to connect/disconnect the regulator output voltage to a base terminal of the BJT.)

用于碳化硅双极结型晶体管的演进栅极驱动器

相关申请

本申请是基于2018年5月29日提交的序列号为15/990881的美国实用新型专利申请的专利合作条约申请，并且该实用新型专利申请要求于2017年6月16日提交的序列号为62/520645的美国临时申请的优先权。这些申请的公开内容以其全文引用的方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及双极结型晶体管，并且更具体地涉及一种用于具有最小功耗的碳化硅(SiC)双极结型晶体管(BJT)的演进栅极驱动器电路。

背景技术

由于材料科学和制造技术的进步，功率开关器件已经显示出急剧的发展。在可用的功率开关器件中，碳化硅双极结型晶体管(SiC BJT)具有最低的特定接通电阻，并且可以以平均开关损耗在很宽的温度范围内工作。SiC BJT的电流增益接近100，这降低了对基极电流的要求，从而降低了驱动器损耗。此外，SiC BJT中不存在栅极氧化物，这使得该技术适用于较高的工作温度。但是，BJT需要连续的基极电流来维持其接通状态。这就需要高功率额定驱动器，而这反过来会导致更高的损耗。此外，如果未适当地调整基极电流，在高负载下所需的基极电流很容易损害在轻负载下的开关和驱动器的整体效率。因此，基极驱动器是基于SiC BJT的转换器中的关键组件。

需要外部驱动电路来供应大功率BJT所需的相对较大的基极电流。这些驱动电路用于选择性地向BJT的基极提供使晶体管在接通(ON)和关断(OFF)状态之间切换的电流。基极电流由集电极电流和直流(DC)电流增益确定。然而，集电极电流在每个开关周期内取决于转换器拓扑结构和负载而变化。另外，电流增益也对电流和温度敏感。因此，最大化开关和驱动器的组合的效率成为一项富有挑战的任务。

当前可用的栅极驱动器之一提供了具有SiC BJT的达林顿(Darlington)配置，该配置将直流电流增益增加到3400以上。该方法将基极电流要求降低到其能维持恒定的水平，而不管转换器拓扑结构、其负载和温度如何，所有这些都不会影响开关和驱动器的效率。但是，由于较大的总集电极-发射极电压降，因此仅建议将其用于较高电压的应用。另一个栅极驱动电路包括输出晶体管或常规栅极驱动器集成电路(IC)，其向开关元件供应恒定的基极电流，而不管集电极电流和温度如何。但是，在以非连续导通模式工作的转换器、逆变器或流经SiC BJT的电流并非恒定的任何转换器中，这种栅极驱动电路变得非常低效。

开发了若干提供比例基极电流的栅极驱动器来克服这个问题。一种这样的栅极驱动器描述了若干并联电阻，这些并联电阻连接至生成离散基极电流的电压源。然后通过使能连接至基极的电阻支路的数量来调整基极电流，以给出所述比例基极电流。另一种解决方式描述了用作栅极驱动器的同步降压(buck)转换器。调节的输出电压连接至BJT的基极，以控制基极电流的量。还有其他方法使用恒定电压源，其中变化基极电阻以改变基极电流。然而，所有上述方法都是基于电流测量，这在需要更高的带宽时能是个挑战。此外，由于需要在数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)中处理电流测量值以确定要使能的支路数量或计算控制基极电压的开关的占空比，因此这些方法具有很高的复杂性。而且，这些驱动器中的一些将平均电感器电流用于基极电流的计算，这允许相对于负载的变化而不是相对于集电极电流的瞬时变化来调整基极电流。

此外，先前的栅极驱动器并未考虑温度对BJT直流电流增益的影响，该增益会随着温度的升高而下降。这迫使驱动器始终假定以最差的直流电流增益来操作BJT，就好像BJT始终在最高预期温度下工作一样。当实际工作温度低于最高值时，或者换句话说，当直流电流增益未达到其最小值时，这种解决方式转化为不必要的驱动器功耗。

因此，需要一种以最小的功耗来提供比例基极电流的、用于碳化硅(SiC)双极结型晶体管(BJT)的演进栅极驱动器，以及一种利用该栅极驱动器电路来优化SiC BJT的基极电流的方法。这样的栅极驱动器将通过估计集电极-发射极电压来将基极电流调整成瞬时集电极电流。此外，这种所需的栅极驱动器将监测温度对DC电流增益的影响。这样的栅极驱动器将提供连续的基极电流供应，以将BJT维持在接通状态。这样的栅极驱动器在接通状态期间具有最小的功率损耗和最小的开关损耗，这提高了驱动器的效率。此外，这种驱动器不需要高带宽电流传感器和用以处理BJT的集电极电流的数字信号处理器。本实施例通过实现这些关键目标来克服本领域中的缺陷。

发明内容

为了最小化在现有系统和方法中发现的限制，并且最小化在阅读本说明书时显而易见的其他限制，本发明的优选实施例提供了一种用于碳化硅(SiC)双极结型晶体管(BJT)的演进栅极驱动器电路和利用该栅极驱动器电路来优化SiC BJT的基极电流的方法。

栅极驱动器电路包括：连接在BJT的集电极端子和发射极端子之间的传感器、放大器、调节器和连接至BJT的基极端子的栅极驱动器。该传感器被配置为在BJT的接通状态期间感测和测量横跨集电极端子和发射极端子的集电极-发射极电压V_CE。该传感器包括：串联连接的第一电阻器和第二电阻器；高压二极管，其阳极连接至串联连接的第一电阻器和第二电阻器之间，其阴极连接至BJT的集电极端子；第一电容器，其与第二电阻器并联连接。传感器优选地能是高压去耦二极管。传感器基于测量的集电极-发射极电压V_CE提供传感器输出电压V_m。放大器连接至跨过第一电容器的传感器输出端子，并且被配置为放大传感器输出电压V_m。该放大器包括：借助于多个电阻器控制的非反相运算放大器；通过第一二极管连接至非反相运算放大器的输出的电压跟随器；跨接第一二极管和电压跟随器的第三电阻器，被配置为提供放大器的输出。选择放大器以提供轨对轨(rail-to-rail)操作、高带宽、良好的抗噪性、并且具有基于集电极-发射极电压V_CE、根据基极电流I_B的要求来修改增益的能力。放大器被配置为放大传感器输出电压V_m，以提供放大器输出电压V_ref。调节器连接至放大器输出端子，并且被配置为基于放大器输出电压V_ref来调节调节器输出电压V_cc。放大器输出电压V_ref用作调节器的电压基准，其作用类似于缓冲器。栅极驱动器连接至调节器输出端子，并被配置为将调节器的输出电压V_cc连接/断开连接至BJT的基极端子。利用调节器输出电压V_cc，根据放大器输出电压V_ref而内部地生成栅极信号。在BJT导通状态期间，调节器基于集电极-发射极电压V_CE调节栅极驱动器的电压，以生成瞬时比例基极电流I_b，从而最小化驱动器损耗。

利用栅极驱动器电路优化SiC BJT的基极电流的方法包括以下步骤：提供具有传感器、放大器、调节器和栅极驱动器的栅极驱动器电路。然后，在BJT导通状态期间，由传感器基于集电极电流感测并测量集电极-发射极电压。然后，将测量的传感器电压提供给栅极驱动器电路的放大器，并生成放大器输出电压，并将放大器输出电压提供给调节器，并基于BJT的集电极-发射极电压生成调节电压。然后，将调节器的调节电压输出供应给栅极驱动器，并基于调节器的调节电压输出和BJT的集电极-发射极电压来优化BJT的基极电流。

本发明的第一目的是提供一种用于碳化硅(SiC)双极结型晶体管(BJT)的演进栅极驱动器电路，该电路以最小化的功耗提供比例基极电流。

本发明的第二目的是提供一种栅极驱动器，其通过集电极-发射极电压来估计集电极电流，从而将基极电流调整成瞬时集电极电流。

本发明的第三目的是提供一种栅极驱动器，其监测温度对直流电流增益的影响。

本发明的第四目的是提供一种栅极驱动器，其提供基极电流的连续供应以将BJT维持在接通状态。

本发明的另一目的是提供一种栅极驱动器，其在接通状态和切换期间具有最小的功率损耗，从而增加了驱动器的效率。

本发明的又一目的是提供一种驱动器，其消除了对于高带宽电流传感器和用以处理BJT的集电极电流的数字信号处理器的需求。

将具体地描述本发明的这些和其他优点和特征，以使本发明对本领域普通技术人员来说是可理解的。

附图说明

附图中的元素不一定按比例绘制，以增强其清晰度并增进对本发明的这些各个元素和实施例的理解。此外，为了提供对本发明的各种实施例的清晰视图，未示出对于本领域技术人员来说是众所周知的并且容易理解的元件，因此为了清楚和简洁起见，附图在形式上进行了概括。

图1图示了根据本发明优选实施例的碳化硅双极结型晶体管(SiC BJT)的栅极驱动器电路的框图；

图2图示了根据本发明优选实施例的SiC BJT的栅极驱动器电路的电路图；

图3图示了根据本发明的一个实施例的SiC BJT的栅极驱动器电路的框图；

图4图示了图示根据本发明示例性实施例的在SiC BJT的栅极驱动器电路的不同阶段生成的波形的曲线图；

图5图示了示出根据本发明示例性实施例的、相对于当前栅极驱动器电路和不同的现有栅极驱动器的转换器的输出功率的驱动器功耗的下降的曲线图；和

图6图示了根据本发明优选实施例的利用栅极驱动器电路优化SiC BJT的基极电流的方法的流程图。

具体实施方式

在阐述本发明的多个实施例和应用的以下讨论中，对附图做出了附图标记，形成本文的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以在其中实施本发明的特定实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以做出改变。

以下描述各种发明特征，这些特征可以各自独立地使用或与其他特征结合使用。然而，任何单个发明特征都不能解决以上讨论的任何问题或仅解决以上讨论的问题之一。此外，以下描述的任何特征可能无法完全解决以上讨论的一个或多个问题。

如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示对象。除非另有明确说明，否则本文所使用的“和”可与“或”互换使用。如本文所使用的，术语“约”是指所述参数的+/-5％。除非上下文另外明确指出，否则可以组合使用本发明的任何方面的所有实施例。

除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，“包括”、“包含”等词语应以包容性含义解释，而不是排他性或穷举性含义；也就是说，以“包括但不限于”的含义。使用单数或复数的词语也分别包括复数和单数。另外，当在本申请中使用时，词语“本文”、“其中”、“而”、“以上”和“以下”以及类似含义的词语应指本申请整体，而不是本申请的任何特定部分。

本公开的实施例的描述并非旨在穷举或将本公开限制为所公开的精确形式。尽管本文出于说明性目的描述了本公开的特定实施例和示例，但是如本领域技术人员所认识到的，在本公开的范围内可以进行各种等同的修改。

参考图1至图2，分别示出了根据本发明优选实施例的碳化硅双极结型晶体管(SiCBJT)102的栅极驱动器电路100的框图和电路图。SiC BJT具有非常低的特定接通电阻，并且由于不具有栅极氧化物而可以提供高温工作。这使其非常适合用于电源开关以及用于高功率密度的应用。需要连续施加基极电流I_B，以将SiC BJT维持在接通状态。本实施例的栅极驱动器电路100基于SiC BJT 102的集电极-发射极电压V_CE来提供连续的基极电流I_B。本发明提供了比例基极电流驱动器电路100，其通过估计集电极-发射极电压V_CE来将基极电流I_B调节至瞬时集电极电流I_C，并同时监测温度对直流电流增益的影响。

将接通状态期间的BJT 102两端的集电极-发射极电压V_CE降落用于估计集电极电流I_C，而不是直接测量该电流。因此，集电极-发射极电压V_CE测量用于确定驱动SiC BJT 102所需的基极电流I_B。随着BJT 102的工作温度升高，相同集电极电流所需的基极电流I_B的量也将增加，这是因为直流电流增益随温度而降低。此外，SiC BJT的接通电阻也随温度而增加，这对于相同的集电极电流I_C导致了更高的集电极-发射极电压降落。电压降落的增加补偿直流电流增益的降低，这提供了无需测量温度即可实现温度敏感性的可能性。

本实施例的栅极驱动器电路100包括：跨接BJT 102的集电极端子104和发射极端子106的传感器110；放大器122；调节器134；以及连接至BJT 102的基极端子108的栅极驱动器144。传感器110被配置为在BJT 102的接通状态期间，感测和测量跨过集电极端子104和发射极端子106的集电极-发射极电压V_CE。传感器110包括：串联连接的第一电阻器112和第二电阻器114；高压二极管116，其阳极152连接在串联连接的第一电阻器112和第二电阻器114之间，其阴极154连接至BJT 102的集电极端子104；以及第一电容器118，其与第二电阻器114并联连接。传感器110优选地可以是高压去耦二极管。在一实施例中，传感器110是齐纳二极管电压钳位。传感器110基于测量的集电极-发射极电压V_CE提供传感器输出电压V_m。传感器110经由其接通状态电阻来检测BJT的温度变化。放大器122连接至传感器输出端子120，并且被配置为放大传感器输出电压V_m。传感器输出V_m的测量值指示：随着集电极电流I_C的增加，传感器输出V_m也增加。因此，传感器输出电压V_m与集电极-发射极电压V_CE成比例，而集电极-发射极电压V_CE又在具有附加偏移的情况下与BJT 102的集电极电流I_C成比例。

高压去耦二极管116在BJT 102的关断状态期间保护包括放大器和调节器的电路免受高压的影响。本实施例的传感器110通过测量集电极-发射极电压V_CE来感测集电极电流I_C，并因此消除了对高带宽电流传感器和否则需要的处理集电极电流I_C的数字信号处理器的需求。

在一些其他实施例中，可以使用诸如电阻分压器、齐纳限流二极管和低压MOSFET之类的传感器。

放大器122包括：通过多个电阻器126控制的非反相运算放大器124、通过第一二极管130连接至非反相运算放大器128的输出的电压跟随器128、跨接第一二极管130和电压跟随器128的第三电阻器132。对放大器122进行选择，以提供高增益、良好的抗噪性并且具有基于集电极-发射极电压V_CE、根据基极电流I_B的要求来修改增益的能力。放大器122放大传感器输出电压V_m以提供放大器输出电压V_ref。调节器134连接至放大器输出端子140。调节器134被配置为基于放大器输出电压V_ref来调节调节器输出电压V_cc。调节器134例如是非隔离的同步降压(Buck)转换器。放大器输出电压V_ref用作调节器134的电压基准。栅极驱动器144连接至调节器输出端子142，并且被配置为将调节器输出电压Vcc连接/断开到BJT的基极端子。利用调节器输出电压V_cc，根据放大器输出电压V_ref而内部地生成栅极信号。在BJT 102的导通状态期间，调节器134基于集电极-发射极电压V_CE来调节栅极驱动器144的电压以生成瞬时比例基极电流I_B，从而最小化驱动器损耗。

BJT 102的导通状态期间的功率损耗由集电极电流I_C和接通电阻确定。可以利用基极电流I_B、基极-发射极饱和电压(V_BE(sat))、内部基极电阻(R_Bint)、外部基极电阻(R_Bext)和驱动器电阻(R_驱动器)来计算栅极驱动器144中生成的功率损耗。

脉宽调制(PWM)信号146用于控制栅极驱动器144的输出。调节器134向栅极驱动器144提供电压供应，以提供基极电流I_B的连续供应，从而以最小的传导损耗将BJT 102维持在接通状态。调节器134例如可以是内部具有同步降压转换器(LTC3600)的集成电路(IC)。因此，本发明的栅极驱动器电路100通过调节由调节器134施加到栅极驱动器144的电压，基于集电极-发射极电压V_CE来优化基极电流I_B。调节器134的输出电压由连接至调节器输出端子142的电感器136和电容器138来控制。在BJT 102的导通状态期间调整栅极驱动器144的输出电压。由此，本发明的操作包括：集电极电流I_C流过BJT，导致在集电极-发射极端子V_CE两端的电压降落，该电压降落由传感器110测量。传感器V_m的输出由放大器122调节，该放大器生成用于调节器134的放大器输出V_ref。调节器134对放大器输出V_ref进行缓冲以输出电压V_cc，该电压V_cc使栅极驱动器144生成所需的基极电流I_B，该基极电流I_B流过BJT 102，以使其保持接通状态。调节器134的输出电压取决于SiC BJT 102的温度。栅极驱动器144通过监测温度对BJT的直流电流增益的影响来优化基极电流。

图3示出了采用隔离调节器150的SiC BJT 102的栅极驱动器电路100的框图。在本发明的该实施例中，利用了隔离调节器拓扑结构。如图1所示，由传感器110测量BJT 102的集电极-发射极电压V_CE，并提供给放大器122，该放大器122放大传感器输出电压。在该实施例中，然后将放大的放大器输出电压施加到隔离调节器150。该实施例的隔离调节器150基于反激(Flyback)、推挽(Push-Pull)、半桥/全桥等。隔离调节器150与用于PWM 146信号的光耦合器148、数字隔离器或脉冲变压器进行组合。该实施例示出了具有用于通用高/低侧驱动器的隔离调节器的栅极驱动器电路。

图4示出了图示根据本发明示例性实施例的在SiC BJT 102的栅极驱动器电路100的不同阶段生成的波形的曲线图。曲线图总结了用于控制SiC BJT102的本实施例的栅极驱动器电路100的实验结果。在图4所示的示例中，利用了室温下输出功率为1.6kW的升压(Boost)转换器。SiC BJT 102的脉宽调制(PWM)控制信号146显示为波形P。调节器输出电压V_cc和流经电感器136的调节器输出电流I_L的波形分别由Q和R表示。波形S示出了与调节器输出电压V_cc成正比的连续基极电流I_B。

图5示出了描绘根据本发明的示例性实施例的、相对于当前栅极驱动器电路100和现有栅极驱动器的转换器的输出功率的驱动器功耗的曲线图。为了此目的，利用了升压转换器。在室温下对现有的栅极驱动器和本发明的栅极驱动器电路100进行了实验。在升压转换器的不同输出功率下对图形进行校准。曲线A、B和C示出了对于不同的外部基极电阻值，驱动器功耗相对于现有栅极驱动器的升压转换器的输出功率的变化。曲线D示出了本实施例的栅极驱动器电路100的驱动器功耗相对于升压转换器的输出功率的变化。该图表明，与现有的栅极驱动器相比，本实施例的栅极驱动器电路100将驱动器功耗降低了4倍。

本发明的实施例提供的驱动器功耗的降低在电感器电流纹波较大的转换器(例如，以不连续传导模式工作的转换器或谐振转换器)以及在SiC BJT的工作温度预期在较大的温度范围内波动的应用中的转换器中更为可观。

因此，本发明100基于集电极-发射极电压V_CE提供比例基极电流I_B，并且消除了高带宽电流传感器和微控制器。本发明的实施例还提供了一种独立的栅极驱动器电路，其使用IGBT或MOSFET来代替其他开关和驱动器组合，而无需在转换器级进行任何修改。

图6示出了根据本发明优选实施例的、利用栅极驱动器电路优化SiC BJT的基极电流的方法的流程图。该方法包括以下步骤：如方框202所示，提供具有传感器、放大器、调节器和栅极驱动器的栅极驱动器电路。如方框204所示，在BJT的导通状态期间，由传感器基于集电极电流来感测和测量集电极-发射极电压。如方框206所示，将测得的传感器电压提供给栅极驱动器电路的放大器，并生成放大器输出电压，并且如方框208所示，将放大器输出电压提供给调节器，并基于BJT的集电极-发射极电压来生成调节电压。如方框210所示，将调节器的调节电压输出施加到栅极驱动器，并且如方框212所示，基于调节器的调节电压输出和BJT的集电极-发射极电压来优化BJT的基极电流。

本发明提供了具有最小功耗的栅极驱动器电路100的新颖设计，基于温度对直流电流的影响，通过调整驱动器电压源V_cc，将基极电流I_B调整成瞬时集电极电流I_C。本实施例的驱动器电路100可以以包括DC/DC转换器、逆变器等的任何电力电子转换器拓扑结构来实施。

本发明的实施例还提供一种独立的驱动器电路，其可以代替使用IGBT或MOSFET的其他开关加驱动器的组合，而无需在转换器级进行任何修改。

出于说明和描述的目的，已经给出了本发明的优选实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。其旨在本发明的范围不受该详细描述限制，而是由权利要求书和所附权利要求书的等同物限制。