CN103944548A - 用于晶体管的栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

在栅极驱动电路中，栅极电压限制电路在第一时段中将栅极电压限制为等于或低于第一限制电压，并在第二时段中将栅极电压限制为等于或低于第二限制电压。栅极电压产生电路在第一时段中产生具有第一设定值的驱动电压，并在第二时段中产生具有第二设定值的驱动电压，第一设定值被确定为使得晶体管在有源区中工作，而第二设定值是基于晶体管的栅极耐受电压和晶体管在饱和区中的导通操作时的损耗来确定的。第一限制电压比第一设定值高预定值。第二限制电压比第二设定值高预定值。

Description

用于晶体管的栅极驱动电路

技术领域

本公开涉及用于晶体管的栅极驱动电路。

背景技术

在短路故障出现在构成桥电路的上臂晶体管和下臂晶体管中的一个晶体管中的情况下，当上臂晶体管和下臂晶体管中的没有故障的另一个被导通时，短路电流在这些晶体管中流动，导致二次故障。类似的问题也在将连接到负载的输出端子是对电源线的短路的情况下或在作为负载的电机的绕组具有短路故障的情况下产生。

例如，晶体管是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。在这种情况下，当导通命令被应用于栅极驱动电路时，比阈值电压稍微高的栅极电压施加到IGBT的栅极以使IGBT在有源区中工作。可基于当IGBT在有源区中工作时检测到的电流来检测短路故障。当确定没有短路故障时，具有足够的值的栅极电压施加到IGBT的栅极以使IGBT在饱和区中工作。这样的技术例如在对应于US2009/0066402A1的JP2009-071956A中被公开。

在这样的结构中，当栅极电压非常高并超过栅极耐受电压VGES时，IGBT很可能被毁坏或IGBT的寿命很可能缩短。因此在常规栅极驱动电路中，将箝位电路连接到IGBT的栅极以保护IGBT免受栅极电压的跃进增大。箝位电路将栅极电压箝位（限制）到预定的电压。

为了保护IGBT免受由于短路故障等引起的过电流状况，即，为了执行短路保护，必须考虑下面的要点。

当通过减少电流而将IGBT与过电流状况隔绝时，电涌（S）根据短路电流所流经的电流路径的L分量（电感）和短路电流的变化率（di/dt）而出现（即，S=-L x(di/dt)）。当电涌超过IGBT的耐受电压时，存在IGBT被毁坏的可能性。因此，当减少电流而将IGBT与过电流状况隔绝时，必须关断IGBT，使得短路电流不急剧改变，且电涌不超过IGBT的耐受电压。

在异常时间中，例如在上述短路故障状况中，IGBT的集电极电压改变。因此，电荷通过IGBT的集电极和栅极之间的寄生电容（镜像电容）被注入到栅电容。也就是说，镜像电流流动。作为结果，栅极电压升高。由于此，IGBT的导通状态进一步被加深，也就是说，IGBT的导通电阻进一步降低，导致集电极电流（短路电流）的增大。因此，需要用于拉镜像电流穿过箝位电路等的路径。

然而，短路电流的路径根据故障的类型是不同的，以及L分量将根据路径是不同的。因此，短路电流的变化率根据故障的类型是不同的，且确定短路电流是否处于过电流状况所需的时间是不同的。

因此，在上述技术中，下面的缺点将产生。例如，在电流路径的L分量相对大的情况下，即使短路故障出现，它也被确定为正常状况，因为短路电流在一段预定的时间流逝之后不达到过电流。其后，当栅极电压的限制被取消且足够高的栅极电压施加到栅极时，电流达到过电流。在这种情况下，因为没有用于拉镜像电流的路径，栅极电压进一步升高。此外，短路电流增大，且IGBT的关断被延迟。此外，IGBT将被毁坏。

当过电流在栅极电压高的状态中被确定时以及当栅极电压急剧减小以便解决过电流状态时，IGBT的集电极电流被快速限制。在这种情况下，集电极电流以非常高的变化率减小，且高电涌电压产生。为了解决这个问题，考虑在IGBT的导通时段中使箝位电路在所有时间工作。然而在这种情况下，使电流穿过箝位电路流动的时间段非必要地过长，导致消耗电流的增大。

发明内容

本公开的目的是提供栅极驱动电路，该栅极驱动电路能够在晶体管的整个导通时段中执行短路保护，同时减小消耗电流的增大。

根据本公开的第一方面，用于目标晶体管的栅极驱动电路包括驱动电压产生电路、栅极导通驱动电路和栅极电压限制电路。驱动电压产生电路产生驱动电压以驱动目标晶体管。栅极导通驱动电路根据导通命令导通从驱动电压产生电路的输出端子到目标晶体管的栅极端子的电压供应路径，并根据关断命令关断该电压供应路径。栅极电压限制电路在从导通命令被产生的时间到在目标晶体管中流动的电流是否超过故障确定参考值的确定完成的时间的第一时段中，不管施加到目标晶体管的电压如何，将目标晶体管的栅极电压限制为等于或低于第一限制电压。栅极电压限制电路在第一时段之后的第二时段中，不管施加到晶体管的电压如何，将栅极电压限制为等于或低于比第一限制电压高的第二限制电压。第一限制电压被确定为一值，使得在目标晶体管中流动的电流保持等于或低于最大可允许电流。在第二时段中，驱动电压产生电路产生具有第二设定值的驱动电压，第二设定值是基于目标晶体管的栅极耐受电压和当目标晶体管在饱和区中工作时目标晶体管的损耗而确定的。第二限制电压被设定为比驱动电压的第二设定值高预定值的值。

在上述结构中，在短路故障出现在构成具有目标晶体管的桥电路的晶体管、连接到负载的输出端子、或负载中的情况下，短路故障可被确定，同时将在目标晶体管中流动的电流限制为等于或低于最大可允许电流。此外，当短路故障出现时，根据镜像电流的栅极电压的增大通过栅极电压限制电路的限制操作来约束。

在第一时段中，栅极电压被限制为等于或低于第一限制电压。在第二时段中，栅极电压被限制为等于或低于第二限制电压。因此，归因于镜像电流的栅极电压的增大可被限制，而不考虑短路电流的路径的电感的值。作为结果，短路电流的增大可被约束。

在第二时段中，驱动电压产生电路产生具有第二设定值的驱动电压。因此，在正常操作时间中，在第二时段中的栅极电压的值至多是第二设定值。另一方面，在第二时段中，栅极电压限制电路将目标晶体管的栅极电压限制为等于或低于第二限制电压，第二限制电压比第二设定值高预定值。因此，在正常操作时间的第二时段中，栅极电压限制电路不执行限制操作。因此，在目标晶体管的导通时段中，短路保护可被执行，同时与栅极电压限制电路总是在目标晶体管的导通时段中工作的结构相比，将消耗电流的增大减小到较低的值。

根据本公开的第二方面，在根据第一方面的栅极驱动电路中，驱动电压产生电路产生具有第一设定值的驱动电压，第一设定值高于目标晶体管的阈值电压并低于在第一时段中的第二设定值。第一限制电压被设定为比驱动电压的第一设定值高预定值的值。

在该结构中，在正常操作时间中，第一时段的栅极电压的值至多是第一设定值。另一方面，栅极电压限制电路将目标晶体管的栅极电压限制为等于或低于第一限制电压，第一限制电压比第一设定电压高预定值。因此，在正常操作时间中，栅极电压限制电路不执行限制操作。相应地，消耗电流的增大可被进一步减小。

附图说明

从参考附图进行的下列详细描述中，本公开的上述和其它目的、特征和优点将变得更清除，在附图中相似的部件由相似的附图标记表示，且在附图中：

图1是逆变器的示意图，根据第一实施例的栅极驱动电路被应用于该逆变器；

图2是根据第一实施例的栅极驱动电路的图；

图3是示出根据第一实施例的在正常时间中的信号和电压的时间图；

图4是示出在上臂和下臂中的短路的情况下的短路路径的例子的图；

图5是示出在输出短路的情况下的短路路径的例子的图；

图6是示出在输出接地故障的情况下的短路路径的例子的图；

图7是示出在短路故障的第一例子中的相应部分的信号、电压和电流的时间图；

图8是示出在短路故障的第二例子中的相应部分的信号、电压和电流的时间图；

图9是根据第二实施例的栅极驱动电路的图；

图10是根据第三实施例的栅极驱动电路的图；以及

图11是根据第四实施例的栅极驱动电路的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述栅极驱动电路的示例性实施例。在下面的实施例中，相似的部件以相似的附图标记表示，且其描述将不重复。

（第一实施例）

将参考图1-8描述本公开的第一实施例。

参考图1，逆变器1通过电源线2、3被供应有来自车辆内电池的电池电压V_BAT。逆变器1基于脉冲宽度调制（PWM）控制信号Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn向无刷直流（DC）电机5输出交流（AC）电压。通过光电耦合器从控制单元4（图2）提供PWM控制信号Dup、Dvp、Dwp、Dun、Dvn、Dwn。

在电源线2和电源线3之间，IGBT6up、6vp、6wp和IGBT6un、6vn、6wn被连接以形成具有三相的桥电路。IGBT6up、6vp、6wp构成桥电路的上臂，而IGBT6un、6vn、6wn构成桥电路的下臂。续流二极管与IGBT6up到6wn中的每个并联连接。IGBT6up到6wn中的每个包括用于感测电流的IGBT，并被构造为单独的模块。IGBT6up到6wn分别由被构造为单独的IC的栅极驱动电路7up-7wn驱动。

通过具有输出节点nu、nv、nw作为参考电压的电力供应线8u、8v、8w分别给上臂的栅极驱动电路7up、7vp、7wp供应电源电压VDu、VDv、VDw。通过具有地电位作为参考电位的电力供应线8给下臂的栅极驱动电路7un、7vn、7wn供应电源电压VD。

栅极驱动电路7up-7wn具有相同的结构。因此，为了解释起见，栅极驱动电路7up-7wn在下文中被一般化为栅极驱动电路7。同样，IGBT6up-6wn在下文中被简单地称为IGBT6。此外，PWM控制信号Dup-Dwn在下文中被简单地称为控制信号D。IGBT6对应于晶体管（即，目标晶体管）。在下文中，将详细描述栅极驱动电路7。

如图2所示，栅极驱动电路7包括栅极电压产生电路11、栅极导通驱动电路12、栅极关断驱动电路13、栅极电压限制电路14和过电流确定电路15。栅极电压产生电路11对应于驱动电压产生电路。

栅极驱动电路7的IC具有端子P1到P5。端子P1用作控制信号D的输入端子。端子P2用作栅极电压VG的输出端子。当控制信号D在高电平（H电平）时，栅极驱动电路7处于被施加有关断命令的条件中。当控制信号D在低电平（L电平）时，栅极驱动电路7处于被施加有导通命令的条件中。

端子P3用作电压切换信号Sa的输入端子。端子P4用作异常确定信号Sb的输入端子。端子P5用作过电流确定信号Sc的输出端子。

栅极电压产生电路11是将电源电压VD（其通过输入端子Pi被输入）降低到预定电压的串联调节器型电力供应电路，并从输出端子Po输出降低的电压。从栅极电压产生电路11的输出端子Po输出的电压是用于驱动（即，导通驱动）IGBT6的驱动电压VOM。

栅极电压产生电路11具有基于从控制单元4提供的电压切换信号Sa来切换驱动电压VOM的值的功能。特别是，当电压切换信号Sa在高电平（H电平）时，栅极电压产生电路11将驱动电压VOM的值切换到第一设定值VOM1。当电压切换信号Sa在低电平（L电平）时，栅极电压产生电路11将驱动电压VOM的值切换到第二设定值VOM2。

基于IGBT6的栅极耐受电压和当IGBT6在完全导通状态中（即，在饱和区中的导通工作中）时IGBT的损耗来确定第二设定值VOM2。特别是，第二设定值VOM2被设定为能够满足IGBT6的栅极氧化膜的可靠性并能够将在IGBT6的完全导通状态中的损耗降低到低于预定水平的水平。

第一设定值VOM1高于IGBT6的阈值电压和镜像电压，但低于第二设定电压VOM2。也就是说，第一设定值VOM1被设定为在IGBT6可在有源区中被导通工作时的范围内的值。

栅极电压产生电路11包括晶体管16、参考电压产生部件17、18、开关19、运算放大器20和电压检测电路21。晶体管16是NPN双极晶体管。晶体管16连接在输入端子Pi和输出端子Po之间。参考电压产生部件17、18例如由带隙参考电路提供。

参考电压产生部件17产生用于指示第一设定电压VOM1的第一参考电压Vr1，第一设定电压VOM1是驱动电压VOM的第一目标值。参考电压产生部件18产生用于指示第二设定电压VOM2的第二参考电压Vr2，第二设定电压VOM2是驱动电压VOM的第二目标值。

从参考电压产生部件17产生的第一参考电压Vr1被施加到开关19的第一切换端子。从参考电压产生部件18产生的第二参考电压Vr2被施加到开关19的第二切换端子。开关19的公共端子连接到运算放大器20的非反向输入端子。

根据从控制单元4提供的电压切换信号Sa的电平来控制开关19。特别是，当电压切换信号Sa在高电平时，开关19被操作以在第一切换端子和公共端子之间电连接，即导通。因此，第一参考电压Vr1被施加到运算放大器20的非反相输入端子。

当电压切换信号Sa在低电平时，开关19被操作以电连接在第二切换端子和公共端子之间。因此，第二参考电压Vr2被施加到运算放大器20的非反相输入端子。

电压检测电路21由电阻器R1和电阻器R2的串联电路提供。该串联电路连接在输出端子Po和地线之间。在电阻器R1和电阻器R2之间的公共连接点N1处的电压作为检测电压Vd被得到。也就是说，通过凭借电阻器R1和电阻器R2划分驱动电压VOM来得到检测电压Vd。检测电压Vd施加到运算放大器20的反相输入端子。

电阻器R1和电阻器R2的电阻比（划分比）被设置为一值，使得当驱动电压VOM在第一设定值VOM1处时检测电压Vd与第一参考电压Vr1一致，而当驱动电压VOM在第二设定值VOM2处时检测电压Vd与第二参考电压Vr2一致。

运算放大器20根据在所施加的检测电压Vd和第一参考电压Vr1或第二参考电压Vr2之间的差异产生误差放大信号，并向晶体管16的基极提供该误差放大信号。晶体管16的工作由误差放大信号控制。

栅极导通驱动电路12包括恒流源22和开关23。恒定电流源22和开关23彼此串联连接在栅极电压产生电路11的输出端子和IGBT6的栅极之间。

恒流源22将恒流Ia从输出端子Po输出到IGBT6的栅极。根据从控制单元4提供的控制信号D来控制开关23。也就是说，开关23根据控制信号D而被导通和关断（例如，断开和闭合）。特别是，当控制信号D在高电平时，开关23被关断。当控制信号D在低电平时，开关23被导通。

在上述结构中，当控制信号D在低电平时，即，当导通命令被输入时，栅极导通驱动电路12电连接，即导通从栅极电压产生电路11的输出端子Po到IGBT6的栅极端子的电压供应路径。凭借此，栅极电压VG随着栅极电容被从恒流源22输出的恒流Ia充电而增大，且因此IGBT6被导通。

也就是说，栅极驱动电路17通过利用恒流驱动IGBT6的栅极（即，恒流驱动）来导通IGBT6。在这种情况下，IGBT6的栅极电压VG一直增大到驱动电压VOM。当控制信号D在高电平时，也就是说，关断命令被输入时，栅极导通驱动电路12关断该电压供应路径。

栅极关断驱动电路13包括正常时间关断电路24、异常时间关断电路25和NOT电路26。正常时间关断电路24包括晶体管27、电阻器28和AND电路29。晶体管27是N沟道MOS晶体管。晶体管27的漏极通过电阻器28连接到IGBT6的栅极。晶体管27的源极连接到地。晶体管27的栅极被施加有AND电路29的输出信号。控制信号D被施加到AND电路29的输入端子。异常确定信号Sb被施加到AND电路29的另一输入端子。

异常时间关断电路25包括晶体管30、电阻器31和AND电路32。晶体管30是N沟道MOS晶体管。晶体管30的漏极通过电阻器31连接到IGBT6的栅极。晶体管30的源极连接到地。晶体管30的栅极被施加有AND电路32的输出信号。控制信号D被施加到AND电路32的输入端子。异常确定信号Sb在经由NOT电路26被反转之后被施加到AND电路32的另一输入端子。电阻器31的电阻值高于正常时间关断电路24的电阻器28的电阻值。

异常确定信号Sb从控制单元4提供。异常确定信号Sb的电平根据过电流在IGBT6中流动的异常是否出现而改变。特别是，异常确定信号Sb在不存在异常的正常时间中处于高电平（H电平）。异常确定信号Sb在存在异常的异常时间中处于低电平（L电平）。

在上述结构中，当控制信号D在高电平且异常确定信号Sb在高电平时，即，当关断命令在正常时间被输入时，形成从IGBT6的栅极穿过正常时间关断电路24到达地线（即，IGBT6的发射极）的导电路径。因此，栅极电容通过具有相对小的电阻值的电阻器28所确定的时间常数而放电。因此，当关断命令在正常时间中被输入时，栅极电压VG相对急剧地降低，且IGBT6急剧地关断。从IGBT6的栅极穿过正常时间关断电路24到达地线形成的导电路径在这种情况下也被称为第一路径。

当控制信号D在高电平而异常确定信号Sb在低电平时，即，当关断命令在异常时间被输入时，形成从IGBT6的栅极通过异常时间关断电路25到地线（即，IGBT6的发射极）的导电路径。因此，栅极电容通过具有相对大的电阻值的电阻器31所确定的时间常数而放电。因此，当关断命令在异常时间中被输入时，栅极电压VG相对适度地降低，且IGBT6适度地关断。从IGBT6的栅极通过异常时间关断电路25到地线形成的导电路径在这种情况下也被称为第二路径。

栅极电压限制电路14包括箝位电路参考电压产生部件33和栅极箝位电路34。箝位电路参考电压产生部件33对应于限制电压产生电路。箝位电路参考电压产生部件33由具有驱动电压VOM作为参考，即，被施加有驱动电压作为参考的恒压电路提供。

箝位电路参考电压产生部件33产生通过将恒压电路的电压Vα加到驱动电压VOM而得到的参考电压Vrc（即，Vrc=VOM+Vα），并将参考电压Vrc供应到栅极箝位电路34。

以上述方式产生的参考电压Vrc的值根据驱动电压VOM的值而改变。特别是，当驱动电压VOM具有第一设定值VOM1时，参考电压Vrc具有通过将电压Vα加到第一设定值VOM1而得到的第一值。当驱动电压VOM具有第二设定值VOM2时，参考电压Vrc具有通过将电压Vα加到第二设定值VOM2而得到的第二值。

栅极箝位电路34包括晶体管35和运算放大器36。晶体管35对应于电压限制晶体管。运算放大器36对应于电压限制操作控制电路。晶体管35是N沟道MOS晶体管。晶体管35的漏极连接到IGBT6的栅极。晶体管35的源极连接到地线。晶体管35的栅极被施加有运算放大器36的输出信号。

运算放大器36的非反相输入端子连接到IGBT6的栅极（晶体管35的漏极）。运算放大器36的反相输入端子被施加有参考电压Vrc。

在上述结构中，当IGBT6的栅极电压VG超过参考电压Vrc时，运算放大器36导通晶体管35。当栅极电压VG低于参考电压Vrc时，运算放大器36关断晶体管35。也就是说，在上述结构中，晶体管35的驱动由运算放大器36的误差放大操作来控制。IGBT6的栅极电压VG被限制（箝位）为等于或低于预定的限制电压（箝位电压），而不考虑对IGBT6的施加电压。

根据从箝位电路参考电压产生部件33提供的参考电压Vrc而在两个电平之间切换上述限制电压。特别是，当参考电压Vrc具有通过将电压Vα加到第一设定值VOM1而得到的第一值时，限制电压具有第一限制值VCL1（即，VCL1=VOM1+Vα）。当参考电压Vrc具有通过将电压Vα加到第二设定值VOM2而得到的第二值时，限制电压具有第二限制值VCL2（即，VCL2=VOM2+Vα）。

限制电压的第一限制值VCL1比驱动电压VOM的第一设定值VOM1高了电压Vα。第一限制值VCL1被设置为一值，使得在IGBT6中流动的电流保持等于或低于最大可允许的电流。最大可允许的电流对IGBT6是特定的。最大可允许的电流是可在IGBT6中流动而不引起任何故障的最大电流。

第二限制值VCL2比驱动电压VOM的第二设定值VOM2高了电压Vα。第二限制值VCL2高于第一限制值VCL1。

优选的是，在第一设定值VOM1和第一限制值VCL1之间的差和在第二设定值VOM2和第二限制值VCL2之间的差是小的。也就是说，优选的是，电压Vα是小的。电压Vα越小，IGBT6的栅极电压VG被箝位于的值就越低。因此，过电流例如短路电流可进一步降低。事实上，考虑到每个产品中的部件部分的变化，必须为电压Vα、第一设定值VOM1和第二设定值VOM2提供容差。

因此，第一设定值VOM1、第二设定值VOM2和电压Vα被设定为较小的值，同时满足下面的关系（1）和（2）并同时考虑上述容差：

VOM1<VCL1...（1）

VOM2<VCL2...（2）

过电流确定电路15确定在IGBT6中流动的电流是否超过异常确定参考值，并提供向控制电路4指示确定结果的过电流确定信号Sc。当在IGBT6中流动的电流不超过异常确定参考值时，过电流确定信号Sc处于低电平（L电平）。当在IGBT6中流动的电流超过异常确定参考值时，过电流确定信号Sc处于高电平（H电平）。

过电流确定电路15包括电阻器37、比较器38和参考电压产生部件39。电阻器37连接在用于感测电流的IGBT6的发射极和地线之间。比较器38的非反相输入端子被施加有在电阻器37和电流感测发射极之间的连接点处的电压，即，当电流感测发射极中流动的电流在电阻器37中流动时引起的电压（即，基于地电位作为参考的电压）。

参考电压产生部件39由恒压电路构成，恒压电路基于地电位作为参考来产生参考电压Vri。由参考电压产生部件39产生的参考电压Vri施加到比较器38的反相输入端子。比较器38的输出信号施加到控制单元4作为过电流检测信号Sc。

接着，将参考图3描述在正常时间中的栅极驱动电路7的操作。在图3中，用实线示出控制信号D、电源电压VD、驱动电压VOM和栅极电压VG的波形。用虚线示出在栅极箝位电路34的箝位操作中的限制电压VCL的波形。

当控制信号D从对应于关断命令的高电平改变到对应于导通命令的低电平时，栅极导通驱动电路12的开关23被导通。因此，栅极电容的充电开始，且栅极电压VG开始上升。在这种情况下，由于开关23等的操作，从导通命令被产生的时间（时刻t1）到栅极电压VG开始上升的时间（时刻t2）存在时间延迟。在下文中，当栅极电压VG达到IGBT6的阈值电压时，IGBT6导通。当IGBT6导通时，存在栅极电压VG保持在镜像电压处的镜像时段（从时刻t3到时刻t4）。在镜像时段（镜像区）结束之后，栅极电压Vg开始再次上升。

在短路故障在例如主体IGBT6（例如，IGBT6un）、与主体IGBT6构成桥接电路的另一臂的IGBT6（例如，IGBT6up）、无刷DC电机5的输出节点nx(x:u,v,w)或绕组中出现的情况下，在IGBT6的导通驱动之后立即开始的第一时段T1（即，从时刻t1到时刻t5的时段）是执行短路保护，即通过将在IGBT6中流动的电流限制到低于IGBT6的最大可允许的电流的值来确定短路故障所必需的。

控制单元4基于从过电流确定电路15提供的过电流确定信号Sc来确定短路故障。也就是说，控制电路4确定在IGBT6中流动的集电极电流是否超过故障确定参考值。故障确定参考值被设置在一范围内，使得故障确定参考值大于当没有短路故障时在IGBT6中流动的最大电流，并小于当有短路故障时在IGBT6中流动的电流（等于或低于最大可允许的电流）。

当控制单元4确定集电极电流超过故障确定参考值时，控制单元4将控制信号D设置到高电平，并将异常确定信号Sb设置到高电平。因此，异常时间关断电路25的晶体管30导通，且IGBT6被适度地关断。

在第一时段T1中，栅极电压产生电路11在输出具有第一设定值VOM1的驱动电压VOM的状态中。因此，在第一时段T1中，IGBT6在有源区中工作（导通工作）。在第一时段T1中，栅极电压VG增大到第一设定值VOM1。

因为驱动电压VOM被设置为第一设定值VOM1，限制电压VCL具有第一限制值VCL1。因此，在第一时段T1中，即使IGBT6变成过多的短路电流可由于短路故障等而流动的状态（过电流状态），因为栅极电压VG被限制到等于或低于第一限制值VCL1的值，短路电流（集电极电流）的峰值减小。

第二时段T2（在时刻t5之后）在第一时段T1结束且确定没有短路故障时开始。在第二时段T2中，需要具有足够的值的栅极电压VG来使IGBT6在饱和区中工作，以便降低损耗。然而，如果高于栅极耐受电压VGES的栅极电压VG被施加到IGBT6，则它导致故障。

因此，当第二时段T2开始时，栅极电压产生电路11被切换到输出具有第二设定值VOM的驱动电压VOM的状态。因此，在第二时段T2中，栅极电压VG增大以达到第二设定值VOM2，且IGBT6在饱和区中工作（导通工作）。

因为驱动电压VOM被设置到第二设定值VOM2，限制电压VCL具有第二限制值VCL2。因此，在第二时段T2中，即使电路变成过多的短路电流可由于短路故障等而流动的状态（过电流状态），因为栅极电压VG被限制到等于或低于第二限制值VCL2的值，短路电流（集电极电流）的峰值减小。

虽然未在图3中示出，当控制信号D从对应于导通命令的低电平改变到对应于关断命令的高电平时，正常时间关断电路24的晶体管27导通，且IGBT6被彻底关断。

在上述结构中，结束第一时段T1的时刻，即，从第一时段T1到第二时段T2的切换时刻需要基于特定于作为目标晶体管的IGBT6的值（例如阈值电压的值、镜像时段的长度）来确定。切换时刻可由下面的两种方法设定。

作为第一种方法，切换时刻被设置到在控制信号D改变到低电平的时间（即，时刻t1）之后预定时段消逝时的时刻。

作为第二种方法，电压检测电路被附加设置成检测栅极电压VG。切换时刻被设置到在由电压检测电路检测的电压值达到高于关断时间的电压（0V）的预定确定值的时间之后预定时段消逝时的时刻。

在第一种方法中，不必附加使用用于检测栅极电压VG的电压检测电路。因此，电路结构可被简化。然而，必须设置预定的时段，同时考虑从导通命令被产生的时间（时刻t1）到栅极电压VG实际上开始上升的时间（时刻t2）的时间延迟。

在第二种方法中，不必考虑从导通命令被产生的时间到栅极电压VG实际上开始上升的时间的时间延迟。因此，切换时刻可被精确地且适当地设置。然而，用于检测栅极电压VG的电压检测电路是必要的。

接着，将参考图4-6描述取决于短路故障的位置的短路电流路径的例子。

图4是示出当短路故障出现在上臂和下臂中时的短路电流路径（短路路径）的例子。在这种情况下，当IGBT6un在短路状况中时且当IGBT6up导通时，短路电流在由图4中的箭头所示的路径中流动。例如，涉及到，IGBT6un的这个短路状况由IGBT6un的晶体管或续流二极管的故障、栅极驱动电路（例如，控制单元4）的故障、归因于噪声的失效等引起。

图5是示出在输出短路的情况下的短路电流路径的例子的图。当短路出现在输出节点nu和输出节点nv之间或无刷DC电机5的U相绕组和V相绕组之间时，且当IGBT6up和IGBT6vn导通时，短路电流在由图5中的箭头所示的路径中流动。例如，涉及到，这个短路故障由电机绕组的绝缘损坏、人诱导的错误等引起。

图6是示出在输出接地故障的情况下的短路电流路径的例子。当接地故障出现在输出节点nu或无刷DC电机5的U相绕组中时且当IGBT6up导通时，短路电流在由图6中的箭头所示的路径中流动。例如，涉及到，这个短路故障由与上面结合图5所示的输出短路描述的相同的原因引起。

如上所述，短路电流的路径取决于故障的类型是不同的。此外，短路电流的每个路径的电感（L分量）将是不同的。在下文中，将描述在具有不同的电感的两个不同的短路故障的情况下栅极驱动电路7的操作。

首先，将参考图7描述第一种情况的栅极驱动电路7的操作。在第一种情况下，短路故障出现，且短路路径的电感相对小。在图7中，用实线示出控制信号D、电源电压VD、驱动电压VOM、栅极驱动电压VG、IGBT6的集电极电流IC和IGBT6的集电极电压VC的波形。用虚线示出在栅极箝位电路34的箝位操作中的限制电压VCL的波形。

在这种情况下，因为短路路径的电感小，IGBT6的集电极电流急剧增大。因此，在第一时段T1中，集电极电流超过故障确定参考值。由于此，控制单元4确定短路故障，且IGBT6被适度地关断。然而，存在下面的可能性：由于根据用于执行短路故障检测的电路的操作的延迟，短路电流的峰值不能降低，直到IGBT6实际上开始关断为止。

在这种情况下，此外，根据IGBT6的集电极电压的变化，电荷被注入到栅极电容，即，镜像电流流动。因此，栅极电压VG增大越过驱动电压VOM的第一设定值VOM1。在这种情况下，IGBT6的导通状态进一步加深，且存在集电极电流进一步增大的担忧。

然而在本实施例中，在第一时段T1中，栅极电压VG通过栅极箝位电路34的箝位操作而被限制到等于或低于第一限制值VCL1的值。因此，在第一时段T1中，且在从短路故障被检测到的时间到IGBT6实际上关断的时间的时段中，归因于镜像电流的栅极电压VG的上升被约束。作为结果，短路电流的峰值可降低到较低的值。

接着，将参考图8描述在第二种情况下的栅极驱动电路7的操作。在第二种情况下，短路故障出现，且短路路径的电感相对大。在图8中，用实线示出控制信号D、电源电压VD、驱动电压VOM、栅极电压VG、IGBT6的集电极电流IC和IGBT6的集电极电压VC的波形。用虚线示出在栅极箝位电路34的箝位操作中的限制电压VCL。

在这种情况下，因为短路路径的电感大，IGBT6的集电极电流适度地升高。因此，集电极电流在第一时段T1中不超过故障确定参考值，但在第二时段T2中超过故障确定参考值。因此，在第二时段T2中，控制单元4检测到短路故障，且IGBT6被适度地关断。然而存在下面的可能性：由于根据用于执行短路故障检测的电路的操作的延迟，短路电流的峰值不能降低，直到IGBT6实际上开始关断为止。

在这种情况下，此外，根据IGBT6的集电极电压的变化，电荷被注入到栅极电容，即，镜像电流流动。因此，栅极电压VG增大越过驱动电压VOM的第二设定值VOM2。由于此，IGBT6的导通状态进一步加深，且存在集电极电流进一步增大的担忧。

然而在本实施例中，在第二时段T2中，栅极电压VG通过栅极箝位电路34的箝位操作而被限制到低于第二限制值VCL2的值。因此，在第二时段T2中，且在从短路故障被检测到的时间到IGBT6实际上关断的时间的时段中，归因于镜像电流的栅极电压VG的上升被约束。作为结果，短路电流的峰值可降低到较低的值。

如上所述，在本实施例的栅极驱动电路7中，当短路出现时，归因于镜像电流的栅极电压VG的上升通过栅极箝位电路34的箝位操作被约束。特别是，在第一时段T1中，栅极电压VG通过栅极箝位电路34的箝位操作而被限制到等于或低于第一限制值VCL1的值。在第二时段T2中，栅极电压VG通过栅极箝位电路34的箝位操作而被限制到等于或低于第二限制值VCL2的值。

因此，不管短路电流的路径的电感（L分量）的值如何，归因于镜像电流的栅极电压VG的上升都被约束。作为结果，短路电流的峰值可降低。

在异常时间中，例如在短路故障条件中，栅极关断驱动电路13的异常时间关断电路25的晶体管30被导通。因此，栅极电容通过由具有相对高的电阻值的电阻器31确定的时间常数放电。因此，IGBT6在集电极电流（短路电流）的变化率（di/dt）降低到较低的值的条件下被适度地关断。因此，超过IGBT6的耐受电压的电涌较不可能出现。

在第一时段T1中，栅极电压产生电路11产生具有第一设定值VOM1的驱动电压VOM。因此，在正常操作时间中，在第一时段T1中的栅极电压VG的最大值是第一设定值VOM1。另一方面，在第一时段T1中，当IGBT6的栅极电压VG超过第一限制值VCL1时，栅极箝位电路34执行箝位操作以将栅极电压VG限制为等于或低于第一限制值（第一限制电压）VCL1，第一限制值VCL1比第一设定值VOM1高了电压Vα。

在第二时段T2中，栅极电压产生电路11产生具有第二设定值VOM2的驱动电压VOM。因此，在正常操作时间中，第二时段T2的栅极电压VG的最大值是第二设定值VOM2。另一方面，在第二时段T2中，当IGBT6的栅极电压VG超过第二限制值VCL2时，栅极箝位电路34执行箝位操作以将栅极电压VG限制为等于或低于第二限制值（第二限制电压）VCL2，第二限制值VCL2比第二设定值VOM2高了电压Vα。

因此，在正常操作时间中，栅极箝位电路34不在第一时段T1和第二时段T2中执行箝位操作。换句话说，栅极箝位电路34只在短路故障等出现的异常时间中执行箝位操作。

因此，与栅极箝位电路34在IGBT6的导通时段中的所有时间都在工作的结构相比，在本实施例中，消耗电流的增大降低。此外，短路保护可在IGBT6的整个导通时段中被执行。

（第二实施例）

将参考图9描述本公开的第二实施例。

如图9所示，第二实施例的栅极驱动电路41不同于第一实施例的栅极驱动电路7，因为栅极驱动电路41具有代替栅极电压产生电路11的栅极电压产生电路42。

栅极电压产生电路42包括晶体管16、运算放大器20、参考电压产生部件43和电压检测电路44。参考电压产生部件43产生用于指示驱动电压VOM的目标值的参考电压Vr。由参考电压产生部件43产生的参考电压Vr施加到运算放大器20的非反相输入端子。

电压检测电路44包括电阻器R41、R42和R43和开关45的串联电路。串联电路连接在输出端子Po和地线之间。在电阻器R41和电阻器R42之间的公共连接点N41处的电压被施加到运算放大器20的反相输入端子。开关45连接在公共连接点N42和地线之间，公共连接点N42在电阻器R42和电阻器R43之间。

根据从控制单元4提供的电压切换信号Sa的电平来控制开关45。特别是，当电压切换信号Sa在高电平时，开关45断开。因此，检测电压Vd被施加到运算放大器20的反相输入端子，该检测电压Vd通过电阻器R41、电阻器R42和电阻器R43的串联的合成电阻来划分驱动电压VOM而得到。当电压切换信号Sa在低电平时，开关45导通。因此，检测电压Vd被施加到运算放大器20的反相输入端子，该检测电压Vd通过电阻器R41和电阻器R42的串联的合成电阻来划分驱动电压VOM而得到。

电阻器R41、电阻器R42和电阻器R43的电阻比（划分比）被设置为一值，使得当开关45在断开状态中且驱动电压VOM在第一设定值VOM1处时，检测电压Vd与参考电压Vr一致，而当开关45在导通状态中且驱动电压VOM2在第二设定值VOM2处时，检测电压Vd与参考电压Vr一致。

在第一实施例的栅极电压产生电路11中，通过在两个电平之间切换串联调节器电源电路的参考值来在第一设定值VOM1和第二设定值VOM2之间切换驱动电压VOM。另一方面，在本实施例的栅极电压产生电路42中，通过在两个电平之间切换串联调节器电源电路的检测电压（反馈电压）的增益来将驱动电压VOM切换到第一设定值VOM1或第二设定值VOM2。也在该结构中，可实现类似于第一实施例的有利效果。

（第三实施例）

将参考图10描述本公开的第三实施例。

如图10所示，第三实施例的栅极驱动电路51不同于第一实施例的栅极驱动电路7，因为栅极驱动电路51具有代替栅极导通驱动电路12的栅极导通驱动电路52。

栅极导通驱动电路52包括晶体管53、电阻器54和缓冲器电路55。晶体管53是P沟道MOS晶体管。晶体管53的源极连接到栅极电压产生电路11的输出端子Po，而晶体管53的漏极通过电阻器54连接到IGBT6的栅极。控制信号D通过缓冲器电路55施加到晶体管53的栅极。当控制信号D处于高电平时，晶体管53关断。当控制信号D处于低电平时，晶体管53导通。

在上述结构中，当控制信号D处于低电平时，即，当导通命令被输入时，栅极导通驱动电路52电连接，即导通从输出端子Po到IGBT6的栅极的电压供应路径。由于此，栅极电容通过由驱动电压VOM、栅极电压VG和电阻器54的电阻值所确定的电流来充电，且栅极电压VG上升。因此，IGBT被导通。也就是说，栅极驱动电路51通过使用恒压驱动IGBT6的栅极（即，恒压驱动）来导通IGBT6。也在该结构中，可实现类似于第一实施例的有利效果。

（第四实施例）

将参考图11描述本公开的第四实施例。

如图11所示，第四实施例的栅极驱动电路61不同于第一实施例的栅极驱动电路7，因为栅极驱动电路61具有分别代替栅极电压产生电路11和栅极电压限制电路14的栅极电压产生电路62和栅极电压限制电路63。

栅极电压产生电路62输出具有第二设定值VOM2的驱动电压VOM。栅极电压产生电路62不具有切换从栅极电压产生电路62输出的驱动电压VOM的值的功能。栅极电压产生电路62包括晶体管16、参考电压产生部件18、运算放大器20和电压检测电路21。

参考电压产生部件18产生用于指示作为驱动电压VOM的目标值的第二设定值VOM2的第二参考电压Vr2。从参考电压产生部件18输出的第二参考电压Vr2被施加到运算放大器20的非反相输入端子。

电压检测电路21的电阻器R1和电阻器R2的电阻比（电压划分比）被设置到一值，使得当驱动电压VOM具有第二设定值VOM2时，检测电压Vd与第二参考电压Vr2一致。

栅极电压限制电路63包括栅极箝位电路34和箝位电路参考电压产生部件64。箝位电路参考电压产生部件64对应于限制电压产生电路。

箝位电路参考电压产生部件64包括恒压电路65、66和开关67。恒压电路65基于作为参考的驱动电压VOM而产生电压Vβ。驱动电压VOM被施加到恒压电路65的高电位侧端子。恒压电路65的低电位侧端子的电压被施加到开关67的第一端子。

恒压电路66基于作为参考的驱动电压VOM产生电压Vα。驱动电压VOM被施加到恒压电路65的低电位侧端子。恒压电路66的高电位侧端子的电压被施加到开关67的切换端子的第二端子。开关67的公共端子连接到栅极箝位电路34的运算放大器36的反相输入端子，作为参考电压Vrc的输出端子。

根据从控制单元4提供的电压切换信号Sa的电平来控制开关67。特别是，当电压切换信号Sa在高电平时，开关67被切换以便电连接在第一端子和公共端子之间。由于此，比驱动电压OM低了电压Vβ的参考电压Vrc被施加到运算放大器20的反相输入端子。在本实施例中，由恒压电路65产生的电压Vβ被设置为一值，使得参考电压Vrc（即，Vrc=VOM2-Vβ）此时与第一实施例的第一限制值VCL1一致。

当电压切换信号Sa在低电平时，开关67被切换以便电连接在第二端子和公共端子之间。由于此，通过将电压Vα加到驱动电压VOM而得到的参考电压Vrc被施加到运算放大器36的反相输入端子。

也在该结构中，箝位电路34的箝位操作的第一限制值VCL1和第二限制值VCL2是与第一实施例的那些值相同的值。因此，也在本实施例中，可实现类似于第一实施例的有利效果。

然而在上述结构中，栅极电压产生电路62没有切换驱动电压VOM的值的功能，且总是产生具有第二设定值VOM2的驱动电压VOM。也就是说，由栅极电压产生电路62产生的驱动电压VOM的值在整个第一时段T1和第二时段T2中都是第二设定值VOM2。因此，甚至在正常操作时间中，栅极电压VG试图在镜像时段之后（时刻t4）到第一时段T1末尾（时刻t5）的时段中增大超过第一限制值VCL1。

因此，在正常操作时间中，通过栅极箝位电路34的箝位操作在第一时段T1的最后阶段被执行。也就是说，甚至在正常操作时间中，在第一时段T1中通过栅极箝位电路34的箝位操作限制栅极电压VG。在本实施例的结构中，消耗电流将增大用于在正常操作时间中从时刻t4到时刻t5的时段中操作栅极箝位电路34的量。然而，在第一时段T1中，栅极电压VG可以以较高的精度被限制。

（其它实施例）

本公开不限于在上文描述和在附图中示出的实施例，而是可以用各种方式被修改或扩展。

例如，栅极驱动电路的驱动目标，也就是说，目标晶体管可不限于IGBT，但可以是电压驱动的半导体器件（晶体管），例如MOS晶体管。

栅极电压产生电路11、42、62不限于具有在图2、9和11中所示的结构，而是可具有任何其它结构，只要它具有类似的功能。在上述实施例中，栅极电压产生电路11、42、62是串联调节器型的电力供应电路。可替代地，栅极电压产生电路11、42、62可以是开关调节器型电力供应电路。晶体管16可被修改为PNP双极晶体管、MOS晶体管等。

栅极导通驱动电路52可以不限于具有图10所示的结构。栅极导通驱动电路52可具有任何其它电路结构，只要它具有类似的功能。例如，晶体管53可被修改为N沟道MOS晶体管、双极晶体管等。

栅极箝位电路34可不限于具有图2、9、10和11所示的结构。栅极箝位电路34可具有任何其它电路结构，只要它具有类似的功能。例如，晶体管35可被修改为NPN双极晶体管。

栅极关断驱动电路13可不限于具有图2、9、10和11所示的结构。栅极关断驱动电路13可具有任何其它电路结构，只要它具有类似的功能。例如，晶体管27、30可被修改为NPN双极晶体管。

过电流确定电路15可不限于具有图2、9、10和11所示的结构。过电流确定电路15可具有任何其它电路结构，只要它具有类似的功能。

概括上述内容，栅极驱动电路7包括驱动电压产生电路11、42、62、栅极导通驱动电路12、52和栅极电压限制电路14、63。栅极电压产生电路11、42、62产生驱动电压VOM以驱动目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn。栅极导通驱动电路12、52根据导通命令导通从驱动电压产生电路11、42、62的输出端子到目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn的栅极端子的电压供应路径，并根据关断命令关断该电压供应路径。栅极电压限制电路14、63在从导通命令被产生的时间开始到目标晶体管中流动的电流是否超过故障确定参考值的确定完成的时间为止的第一时段T1中不管施加到目标晶体管的电压如何，将目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn的栅极电压限制为等于或低于第一限制电压VCL1，并在第一时段T1之后的第二时段T2中，不管施加到晶体管的电压如何，将栅极电压限制为等于或低于比第一限制电压VCL1高的第二限制电压VCL2。第一限制电压VCL1被确定为一值，使得在目标晶体管中流动的电流保持等于或低于最大可允许的电流。在第二时段T2中，驱动电压产生电路11、42、62产生具有第二设定值VOM2的驱动电压，第二设定值VOM2基于目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn的栅极耐受电压和当目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn在饱和区中工作时目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn的损耗来确定。第二限制电压VCL2被设置为比驱动电压的第二设定值VOM2高预定值的值。

在栅极驱动电路7中，驱动电压产生电路11、42可产生具有第一设定值VOM1的驱动电压VOM，第一设定值VOM1比目标晶体管6、6up、6vp、6wp、6un、6vn、6wn的阈值电压高并低于第二设定值VOM2。第一限制电压VCL1可被设置为比驱动电压VOM的第一设定值VOM1高预定值的值。

虽然只有所选择的示例性实施例和例子被选择来示出本公开，对本领域技术人员来说根据本公开，可明显在其中进行各种改变和修改，而不偏离如在所附权利要求中限定的本公开的范围。此外，仅为了说明而不是为了限制如所附权利要求及其等效形式限定的本公开的目的，来提供对根据本公开的示例性实施例和例子的前述描述。

Claims (8)

1.一种用于目标晶体管的栅极驱动电路，包括：

驱动电压产生电路，其产生驱动电压以驱动所述目标晶体管；

栅极导通驱动电路，其根据导通命令导通从所述驱动电压产生电路的输出端子到所述目标晶体管的栅极端子的电压供应路径，并根据关断命令关断所述电压供应路径；以及

栅极电压限制电路，其在从所述导通命令被产生的时间开始到所述目标晶体管中流动的电流是否超过故障确定参考值的确定完成的时间为止的第一时段中，不管施加到所述目标晶体管的电压如何，将所述目标晶体管的栅极电压限制为等于或低于第一限制电压，并在所述第一时段之后的第二时段中，不管施加到所述晶体管的电压如何，所述第一限制电压被确定为一值，将所述栅极电压限制为等于或低于比所述第一限制电压高的第二限制电压，使得在所述目标晶体管中流动的电流保持等于或低于最大可允许的电流，其中

在所述第二时段中，所述驱动电压产生电路产生具有第二设定值的驱动电压，所述第二设定值基于所述目标晶体管的栅极耐受电压和当所述目标晶体管在饱和区中工作时所述目标晶体管的损耗来确定，并且

所述第二限制电压被设置为比所述驱动电压的所述第二设定值高预定值的值。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中

在所述第一时段中，所述驱动电压产生电路产生具有第一设定值的所述驱动电压，所述第一设定值高于所述目标晶体管的阈值电压并低于所述第二设定值，并且

所述第一限制电压被设置为比所述驱动电压的所述第一设定值高预定值的值。

3.根据权利要求1或2所述的栅极驱动电路，其中

所述栅极电压限制电路包括：

电压限制晶体管，其连接在所述目标晶体管的所述栅极端子和地线之间；

限制电压产生电路，其包括恒压电路并基于所述驱动电压产生所述第二限制电压；以及

电压限制操作控制电路，其对所述限制电压产生电路的输出电压与所述目标晶体管的所述栅极电压进行比较，并在所述栅极电压等于或高于所述限制电压产生电路的所述输出电压时导通所述电压限制晶体管。

4.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中

所述栅极电压限制电路包括：

电压限制晶体管，其连接在所述目标晶体管的所述栅极与地线之间；

限制电压产生电路，其包括恒压电路并基于所述驱动电压产生所述第一限制电压和所述第二限制电压；以及

电压限制操作控制电路，其对所述限制电压产生电路的输出电压与所述目标晶体管的所述栅极电压进行比较，并在所述栅极电压等于或高于所述限制电压产生电路的所述输出电压时导通所述电压限制晶体管。

5.根据权利要求1所述的栅极驱动电路，其中

所述驱动电压产生电路在所述第一时段和所述第二时段中产生具有所述第二设定值的所述驱动电压。

6.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中

所述驱动电压产生电路由调节器电力供应电路提供，所述调节器电力供应电路通过在两个电平之间切换参考电压来在所述第一设定值和所述第二设定值之间切换所述驱动电压。

7.根据权利要求2所述的栅极驱动电路，其中

所述驱动电压产生电路由调节器电力供应电路提供，所述调节器电力供应电路通过在两个电平之间切换反馈电压的增益来在所述第一设定值和所述第二设定值之间切换所述驱动电压。

8.根据权利要求1或2所述的栅极驱动电路，还包括：

栅极关断驱动电路，其根据所述关断命令使所述目标晶体管的栅极电容放电，其中

当所述关断命令在正常时间中产生时，所述栅极关断驱动电路使所述栅极电容通过第一路径来放电，并且

当所述关断命令在确定了在所述目标晶体管中流动的电流超过所述故障确定参考值的条件下产生时，所述栅极关断驱动电路使所述栅极电容通过具有比所述第一路径的电阻值高的电阻值的第二路径来放电。