本申請涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，特別地涉及減小IGBT中的集電極-發(fā)射極電壓過沖。

背景技術(shù)：

在IGBT的關(guān)閉期間，IGBT的集電極(C)和發(fā)射極(E)端子上的電壓(V_CE)通常過沖超過其額定值。這樣的V_CE關(guān)閉過沖降低了IGBT操作的安全裕度并且可能在超過最大V_CE擊穿電壓額定值時導(dǎo)致IGBT的立刻破壞。減小V_CE關(guān)閉過沖的關(guān)鍵因素是減小關(guān)閉期間集電極電流I_C的上升速率(di_C/dt)。然而，關(guān)閉期間的di_C/dt很難控制。對于其中絕緣柵極布置在形成在諸如硅等半導(dǎo)體材料中的溝槽中的溝槽柵極IGBT尤其是這樣。溝槽柵極IGBT與平面柵極IGBT相比具有明顯更大的內(nèi)部電容。這一內(nèi)部電容在IGBT的打開期間存儲電荷，并且這些電荷在IGBT的關(guān)閉期間必須被去除。IGBT的高的內(nèi)部電容使得更加難以控制IGBT關(guān)閉，并且因此更加難以減小V_CE過沖而沒有明顯減小效率。

有五個主要的減小溝槽柵極IGBT的V_CE關(guān)閉過沖的方法。在第一方法中，增加關(guān)閉柵極電阻器R_GOFF。這一方法在IGBT關(guān)閉過程期間使用更高的柵極電阻器。這一方法的一個缺點在于放緩了整個關(guān)閉過程，從而導(dǎo)致關(guān)閉損失E_OFF明顯增加。

在第二方法中，關(guān)閉柵極電壓可調(diào)節(jié)。這一方法使用在門限電壓以下的不同的柵極電壓以減小關(guān)閉期間柵極的放電速率。這一方法的一個缺點在于放緩了整個開關(guān)過程，從而導(dǎo)致關(guān)閉損失明顯增加。

在第三方法中，使用有效電壓鉗位。這一方法使用集電極電壓反饋來在關(guān)閉過程期間在V_CE超過預(yù)定水平時立刻打開柵極。這一方法的一個缺點在于需要來自IGBT的集電極的電壓反饋，這導(dǎo)致高壓IGBT應(yīng)用的可靠性問題。另外，這一方法沒有控制或減小關(guān)閉dI_C/dt。

在第四方法中，使用動態(tài)電壓上升控制(DVRC)。DVRC使用一個或多個電容器來感測集電極電壓并且使用所感測的信號來在關(guān)閉過程期間在dV_CE/dt超過預(yù)定水平時立刻打開柵極。這一方法的一個缺點在于需要來自IGBT的集電極的反饋，這導(dǎo)致高壓IGBT應(yīng)用的可靠性問題。

在第五方法中，通過發(fā)射極電感電壓反饋來實現(xiàn)di/dt控制。這一方法使用發(fā)射極雜散電感來生成di_E/dt電壓信號，其被添加至柵極電壓并且在I_E下降時用作到柵極電壓的負反饋。可以添加齊納二極管和/或電阻器網(wǎng)絡(luò)以鉗位或調(diào)節(jié)反饋電壓。這一方法在短路之后在必須基本上通過減小在反饋回路中的高增益的情況下實現(xiàn)的關(guān)閉di_E/dt在高的di_E/dt的情況下關(guān)閉非常高的電流時在減小V_CE過電壓方面很有用，這是以關(guān)閉時間的增加以及因此以損失E_OFF的增加為代價的。在使用這一技術(shù)在正常操作期間減小關(guān)閉V_CE過沖時，由于反饋動作遍及電流下降時間t_F(電壓過沖周期)有效，所以將明顯增加下降時間t_F和E_OFF，這通常對于正常操作而言是不可接受的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)電路的實施例，電路包括絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，IGBT可操作以響應(yīng)于向IGBT的柵極施加的控制信號在開關(guān)周期的第一階段傳導(dǎo)電流并且在開關(guān)周期的第二階段阻擋電流，其中在開關(guān)周期的第二階段在IGBT的集電極-發(fā)射極電壓(V_CE)中發(fā)生過沖。電路還包括可操作以生成具有與通過IGBT的電流在開關(guān)周期的第二階段開始下降的時刻同步的上升沿以及作為V_CE過沖的持續(xù)時間的一部分的寬度的脈沖的電路裝置。電路裝置還可操作以將脈沖與向IGBT的柵極施加的控制信號組合以針對脈沖的持續(xù)時間在開關(guān)周期的第二階段中將IGBT的柵極電壓暫時升高至IGBT的門限電壓以上。

根據(jù)減小IGBT的過沖的方法的實施例，IGBT可操作以響應(yīng)于向IGBT的柵極施加的控制信號來在開關(guān)周期的第一階段傳導(dǎo)電流并且在開關(guān)周期的第二階段阻擋電流，在開關(guān)周期的第二階段中IGBT的集電極-發(fā)射極電壓(V_CE)發(fā)生過沖，方法包括：生成具有與通過IGBT的電流在開關(guān)周期的第二階段開始下降的時刻同步的上升沿以及作為V_CE過沖的持續(xù)時間的一部分的寬度的脈沖；以及將脈沖與向所述IGBT的柵極施加的控制信號組合針對脈沖的持續(xù)時間在開關(guān)周期的第二階段中將IGBT的柵極電壓暫時升高至IGBT的門限電壓以上。

根據(jù)用于減小IGBT中的集電極-發(fā)射極電壓(V_CE)過沖的電路，電路包括可操作以進行以下操作的電路裝置：生成具有與IGBT的集電極或發(fā)射極電流在IGBT的關(guān)閉期間開始下降的時刻同步的上升沿以及作為V_CE過沖的持續(xù)時間的一部分的寬度的脈沖；以及將脈沖與向IGBT的柵極施加的控制信號組合針對脈沖的持續(xù)時間在開關(guān)周期的第二階段中將IGBT的柵極電壓暫時升高至IGBT的門限電壓以上。

技術(shù)人員在閱讀以下詳細描述時并且在查看附圖時應(yīng)當認識到另外的特征和優(yōu)點。

附圖說明

附圖的元素不一定相對于彼此按比例。相似的附圖標記表示對應(yīng)的類似部分。各種圖示實施例的特征可以組合，除非它們彼此排除。實施例在附圖中描繪并且在隨后的描述中詳述。

圖1圖示包括IGBT和用于減小IGBT的V_CE過沖的電路裝置的電路的實施例的框圖；

圖2圖示與圖1所示的電路的操作相關(guān)聯(lián)的時序圖；

圖3圖示在減小IGBT的V_CE過沖時使用的電流感測和時間微分電路裝置的模擬實施例的示意圖；

圖4(a)到4(d)圖示在減小IGBT的V_CE過沖時使用的電流感測和時間微分電路裝置的不同的模擬實施例的示意圖；

圖5(a)到5(c)圖示在減小IGBT的V_CE過沖時使用的脈沖信號處理電路的不同的模擬實施例的示意圖；

圖6圖示用于組合控制脈沖與IGBT的柵極驅(qū)動信號以減小IGBT的V_CE過沖的電路的實施例的示意圖；

圖7圖示在減小IGBT的V_CE過沖時使用的信號處理和信號組合電路裝置的數(shù)字實施例的示意圖；

圖8圖示與圖7所示的數(shù)字電路裝置的操作相關(guān)聯(lián)的時序圖；

圖9(a)到9(c)圖示通過短路關(guān)閉過電壓保護修改的脈沖信號處理電路的不同的模擬實施例的示意圖；

圖10圖示用于提供短路關(guān)閉過電壓保護的脈沖信號處理和信號組合電路裝置的數(shù)字實施例的示意圖；以及

圖11圖示與圖10所示的數(shù)字電路裝置的操作相關(guān)聯(lián)的時序圖。

具體實施方式

本文中所描述的實施例通過控制和減小正常操作和短路操作的關(guān)閉di_C/dt或者di_E/dt減小了IGBT集電極-發(fā)射極電壓(V_CE)關(guān)閉過沖，上述控制和減小通過使用在關(guān)閉期間向IGBT柵極施加的在本文中也稱為“di_E/dt脈沖控制”或“di_E/dt控制的短V_CE控制脈沖”來實現(xiàn)。IGBT的柵極電壓通過這一脈沖被拉升至柵極門限電壓V_TH以上，使得IGBT在關(guān)閉周期期間立刻再次打開，從而減小di_E/dt并且因此減小V_CE過沖電壓峰值。

圖1圖示包括IGBT 102和用于減小IGBT 102的V_CE過沖的電路裝置104的電路100的實施例，圖2圖示與電路100的操作相關(guān)聯(lián)的時序圖。在一個實施例中，IGBT 102是其中IGBT 102的絕緣柵極布置在形成在諸如硅等半導(dǎo)體材料中的溝槽中的溝槽柵極IGBT。替選地，IGBT 102可以是其中絕緣柵極布置在半導(dǎo)體材料的表面上的平面柵極IGBT。這兩種類型的IGBT在半導(dǎo)體技術(shù)中都公知，并且因此本文中沒有給出對IGBT構(gòu)造的另外的描述。

IGBT 102響應(yīng)于向IGBT 102的柵極(G)施加的控制信號(V_CE)在開關(guān)周期的第一(打開)階段傳導(dǎo)電流(i_C/i_E)并且在開關(guān)周期的第二(關(guān)閉)階段阻擋電流。在IGBT 102的關(guān)閉期間，集電極(C)和發(fā)射極(E)端子上的電壓V(di_E/dt)通常過沖超過其額定值。如果保持其不被緩和，則V_CE關(guān)閉過沖可能導(dǎo)致IGBT操作的安全裕度或者甚至在過沖超過IGBT 102的最大V_CE擊穿電壓額定值的情況下導(dǎo)致IGBT 102的立刻破壞。

電路裝置104實現(xiàn)關(guān)閉di_E/dt/di_C/dt的優(yōu)化控制以及V_CE過沖的減小從而緩解與過沖相關(guān)聯(lián)的不利影響。電路裝置104迫使IGBT 120在i_E/i_C開始下降時再次立刻并且暫時打開。這表示，電路裝置104在發(fā)射極電流I_E或集電極電流I_C剛開始下降時——即在di_E/dt/di_C/dt從零增加(其在圖2中在時間t₂周圍)時——生成V_GE控制脈沖。為此，電路裝置104生成di/dt控制脈沖，其具有與通過IGBT 102的電流(i_C或i_E，其中的任何一個可以被感測到)在同步周期的第二(關(guān)閉)階段開始下降的時刻同步的上升沿。di/dt控制脈沖的寬度(w)是V_CE過沖的持續(xù)時間的一部分。在一個實施例中，di/dt控制脈沖的寬度在V_CE過沖的持續(xù)時間的1/2到1/4之間。

電路裝置104將di_E/dt控制脈沖與向IGBT 102的柵極施加的控制信號(在圖1和2中標記為“柵極驅(qū)動信號輸入”)組合，以在開關(guān)周期的第二(關(guān)閉)階段將IGBT 102的柵極電壓V_GE在圖2所示的脈沖的持續(xù)時間期間暫時升高至IGBT 102的門限電壓(V_TH)。

更特別地，電路裝置104感測發(fā)射極電流i_E或集電極電流I_C并且處理所感測的電流信號i_E/i_C以給出表示電流i_E/i_C的時間微分的信號V(di_E/dt)。時間微分信號V(di_E/dt)具有上升沿與i_E/i_C剛開始下降的時刻同步的電壓脈沖的形狀，如圖2所示。為了實現(xiàn)最優(yōu)控制結(jié)果，使同步的延遲時間最小化?？梢酝ㄟ^增加脈沖信號處理電路110的增益來最小化延遲時間。時間微分信號V(di_E/dt)觸發(fā)電路裝置104生成短脈沖di_E/dt控制脈沖用于在短的持續(xù)時間期間打開IGBT 102，以便控制和減小關(guān)閉di_E/dt并且減小V_CE過沖。

存在關(guān)于di_E/dt控制脈沖的脈沖寬度(時間持續(xù)時間)的選擇的折衷。更長的脈沖寬度(w)增加關(guān)閉能量損失E_OFF并且甚至可能導(dǎo)致振蕩，而更短的脈沖寬度可能導(dǎo)致關(guān)閉di_E/dt和V_CE過沖的減小不夠。最佳脈沖寬度是IGBT固有關(guān)閉下降時間的函數(shù)并且因此對于高壓IGBT或者具有軟關(guān)閉特性的IGBT而言更長。最佳脈沖寬度也是通信路徑的雜散電感的函數(shù)。di_E/dt控制脈沖的寬度可以固定或者可編程，以根據(jù)具體的應(yīng)用要求來優(yōu)化，并且被限制為V_CE電壓過沖持續(xù)時間的一部分，例如1/2到1/4等。di_E/dt控制脈沖的幅度也可以固定或者可編程。例如，di_E/dt控制脈沖的幅度可以通過電路裝置104的幅度增益和時間常數(shù)設(shè)置來控制。這些參數(shù)可以由用戶來設(shè)置。

為了實現(xiàn)最佳性能，電路裝置104與di_E/dt控制脈沖的持續(xù)時間相比具有快速響應(yīng)和雖小延遲時間。由于IGBT關(guān)閉能量損失E_OFF在存在di_E/dt控制脈沖的情況下增加，所以可以提供啟用(EN)功能以使得用戶能夠選擇性地激活/去激活關(guān)閉di_E/dt控制脈沖功能。例如，當IGBT 102的DC鏈路電壓達到預(yù)定值(如果超過該預(yù)定值，則IGBT的正常關(guān)閉破壞性地給出高的V_CE電壓過沖)時，激活關(guān)閉di_E/dt控制脈沖功能。

在實施例中，電路裝置104包括用于感測通過IGBT 102的電流的電流感測電路106?？梢愿袦y發(fā)射極電流i_E或集電極電路i_C。電路裝置104還包括用于處理所感測的電流信號i_E/i_C以生成與所感測的電流i_E/i_C的時間微分成比例的信號V(di_E/dt)的時間微分電路108。電路裝置104還包括脈沖信號處理電路110，脈沖信號處理電路110用于處理V(di_E/dt)時間微分信號，通過頻率步長來提供輸入保護和信號放大，并且生成di_E/dt控制脈沖。di_E/dt控制脈沖與在最小時間延遲的情況下在IGBT 102的關(guān)閉期間i_E/i_C開始下降的時刻同步。當控制脈沖功能被啟用時，di_E/dt控制脈沖用于在i_E/i_C在IGBT關(guān)閉期間下降時立刻打開IGBT 102。di_E/dt控制脈沖的寬度可以固定或用戶可控以使得能夠在關(guān)閉di_E/dt和V_CE過沖的減小與增加的關(guān)閉能量損失E_OFF之間協(xié)商，并且di_E/dt控制脈沖的寬度限制為V_CE電壓過沖持續(xù)時間的一部分，例如一半、四分之一等。

電路裝置104還包括用于將di_E/dt控制脈沖與柵極驅(qū)動信號組合的信號組合電路112。組合的信號被發(fā)送給輸出緩沖器級114用于驅(qū)動IGBT 102的柵極使得di_E/dt控制脈沖將IGBT柵極電壓V_GE立刻拉升至IGBT柵極門限電壓V_TH以上并且IGBT關(guān)閉di_E/dt和V_CE門限通過di_E/dt控制脈沖的電壓電平和脈沖持續(xù)時間(寬度)來控制。電路裝置104還具有用于選擇性地啟用或禁止di_E/dt控制脈沖功能的啟用功能(EN)。在一個實施例中，如果控制信號EN指示要去激活di_E/dt控制脈沖功能，則僅向輸出緩沖器114直接發(fā)送柵極驅(qū)動信號而沒有di_E/dt控制脈沖。如果控制信號EN指示要激活di_E/dt控制脈沖功能，則在向輸出緩沖器114發(fā)送之前將di_E/dt控制脈沖與柵極驅(qū)動信號組合。啟用功能可以在脈沖信號處理電路110中實現(xiàn)，以控制di_E/dt控制脈沖與柵極驅(qū)動信號的組合。如果向IGBT 102施加的DC鏈路電壓超過預(yù)定值，則EN信號應(yīng)當被激活以生成di_E/dt控制脈沖并且與柵極驅(qū)動信號組合。

圖3示出了電流感測電路106和時間微分電路108的實現(xiàn)實施例。IGBT 102的主發(fā)射極端子E處的雜散發(fā)射極電感L_e用于執(zhí)行發(fā)射極電流i_E感測和表示發(fā)射極電流i_E的時間微分的信號V(di_E/dt)的生成這一組合功能。雜散發(fā)射極電感L_e上的電壓V_Le(＝L_edi_E/dt)與di_E/dt成比例，并且因此用作期望的時間微分信號V(di_E/dt)。

圖4(a)到4(d)示出了用于生成V(di_E/dt)信號的電流感測和時間微分電路106、108的四個不同的實施例。V(di_E/dt)信號可以通過測量發(fā)射極分流電阻器(R_S上的電壓)并且用運算放大器差分器電路120對電壓求差分來獲得，如圖4(a)所示。替選地，V(di_E/dt)信號可以通過測量羅氏(Rogowski)線圈122的感應(yīng)的電壓輸出來獲得，如圖4(b)所示。在另一實施例中，V(di_E/dt)信號可以通過使用電流變壓器(CT)124耦合發(fā)射極電流i_E并且用運算放大器差分器電路126對CT輸出電壓求差分來獲得，如圖4(c)所示。在又一實施例中，V(di_E/dt)信號可以通過測量電流感測IGBT感測發(fā)射極分流電阻器R_S上的電壓并且用運算放大器差分器電路128對電壓求差分來獲得，如圖4(d)所示。

在使用用于di_E/dt感測的雜散發(fā)射極電感L_e來給出V(di_E/dt)時間微分信號時，如圖3以及4(a)到4(d)所示，由于諸如IGBT電流額定值I_CNOM的寬的范圍、封裝件雜散集電極發(fā)射極電感L_SCE和IGBT102的關(guān)閉電流下降時間t_F等若干因素，V_Le信號電壓電平的寬的范圍是可能的?？拷妷篤_Le的附近的組成參數(shù)L_SCEI_CNOM/(2t_F)可以在0.3V到55V的范圍內(nèi)。V_Le信號電壓電平也變化，因為雜散發(fā)射極電感L_e不是受控的參數(shù)并且遭遇未受控的偏差，例如+-30％，以及從低負載、全負載、過載到短路的IGBT 102的寬的操作電流范圍，例如分別在0.1x、1.0x、2.0x、和6.0x I_CNOM(額定集電極電流)。

可能的V_Le信號電壓電平的這樣的寬的范圍暗示，當雜散發(fā)射極電感L_e用于di_E/dt感測時，應(yīng)當使用不同的脈沖信號處理電路來滿足IGBT 102的L_SCEI_CNOM/(2t_F)特性，并且每個脈沖信號處理電路應(yīng)當被設(shè)計成處理動態(tài)范圍針對操作和短路分別為其額定值的[0.07...2.6]到[0.07...7.8]的輸入信號并且對L_S參數(shù)波動不敏感。

圖5(a)到5(c)圖示脈沖信號處理電路110的模擬實施例。脈沖信號處理電路110在V(di_E/dt)信號開始上升時立刻生成脈沖(di_E/dt控制脈沖)，其中可選的用戶可選擇的脈沖寬度可編程。為了實現(xiàn)這樣的同步，脈沖信號處理電路110包括用于在向隨后的信號放大器132發(fā)送V(di_E/dt)信號之前在短路關(guān)閉期間鉗位以避免過高的V(di_E/dt)電壓的輸入保護電路130。信號放大器132具有足夠的增益以覆蓋期望的IGBT操作電流范圍，例如(0.1-2.0)x I_CNOM，以可能通過飽和狀態(tài)下的操作產(chǎn)生具有更大幅度的輸出電壓以及在V(di_E/dt)信號開始上升時的快速下降/上升的邊緣。信號放大器132輸出的電壓觸發(fā)隨后的脈沖生成器134。由在前的信號放大器輸出的下降/上升沿觸發(fā)的脈沖生成器134生成正的拉升di_E/dt控制脈沖。正的拉升di_E/dt控制脈沖的寬度可以通過由電容器C₂和電阻器R₂形成的RC電路來設(shè)置。

信號組合電路112將di_E/dt控制脈沖與IGBT柵極驅(qū)動信號組合并且將其疊加到IGBT柵極驅(qū)動信號上。組合的信號被發(fā)送給輸出緩沖器114用于通過向IGBT柵極施加V_GE脈沖(di_E/dt控制)驅(qū)動IGBT柵極，其在I_E/I_C下降時在短的持續(xù)時間期間打開IGBT 102。取決于柵極驅(qū)動信號的輸出阻抗特性，可以通過直接連接、通過電阻器網(wǎng)絡(luò)或者通過邏輯門將di_E/dt控制脈沖與柵極驅(qū)動信號組合。脈沖信號處理電路110還包括用于響應(yīng)于啟用信號(EN)控制di_E/dt控制信號的生成的啟用電路136。

圖6圖示脈沖信號處理電路110、信號組合電路112和輸出緩沖器級114的實施例。根據(jù)本實施例，實現(xiàn)信號組合功能的電阻器網(wǎng)絡(luò)140將來自脈沖信號處理電路110的di_E/dt控制脈沖與柵極驅(qū)動信號組合。組合的信號然后由輸出緩沖器級114緩沖并且被發(fā)送以驅(qū)動IGBT柵極。

圖7圖示脈沖信號處理電路110和信號組合電路112的數(shù)字實施例。圖8示出了對應(yīng)的時序圖。根據(jù)本實施例，脈沖信號處理電路110包括輸入保護電路150、信號放大器152和脈沖生成器154。信號放大器152具有可調(diào)節(jié)增益A(f)并且其頻率特性用于V(di_E/dt)信號輸入的信號調(diào)節(jié)。在合適的輸入信號動態(tài)范圍的情況下，可以使用邏輯門緩沖器代替信號放大器152。放大器或柵極緩沖器152的輸出用作單穩(wěn)態(tài)多振蕩器154的觸發(fā)信號以生成具有固定的邏輯電平幅度和用戶可控的脈沖寬度(持續(xù)時間)的di_E/dt控制脈沖輸出。由于di_E/dt控制脈沖的脈沖持續(xù)時間(寬度)比V_CE過沖周期短，所以單穩(wěn)態(tài)多振蕩器154被邊緣觸發(fā)而非電平觸發(fā)。單穩(wěn)態(tài)多振蕩器154的重置功能(RESET)可以用于實現(xiàn)啟用功能以便響應(yīng)于啟用控制信號(EN)來選擇性地啟用或禁止di_E/dt控制脈沖的生成。替選地，數(shù)字計數(shù)器可以用于在被觸發(fā)時給出脈沖。在又一實施例中，在數(shù)字柵極驅(qū)動器板內(nèi)部的嵌入式微控制器(MCU)可以由信號放大器152的輸出來觸發(fā)。MCU運行程序代碼以生成短的柵極驅(qū)動輸出脈沖從而打開輸出緩沖器114。在這樣的布置中，MCU通過軟件來執(zhí)行單穩(wěn)態(tài)多振蕩器154和信號組合電路156的功能而不需要另外的硬件。

實現(xiàn)信號組合功能的邏輯門156將di_E/dt控制脈沖與柵極驅(qū)動信號組合。這樣的邏輯門156可以實現(xiàn)為用于正的邏輯信號的OR門或者用于負的邏輯信號的AND。

由于電路的簡化，圖7所示的脈沖信號處理電路110和信號組合電路112的組合功能也可以在驅(qū)動器IC(集成電路)中或者由微控制器來實現(xiàn)作為現(xiàn)有功能之上的附加特征，例如在具有這樣的微控制器的數(shù)字IGBT柵極驅(qū)動器板中。

在IGBT短路到低阻抗(短路類型I)期間，i_E/i_C快速地上升至通常為額定集電極電流I_CNOM的6倍的非常高的值。通常，柵極驅(qū)動器板中的IGBT短路保護功能監(jiān)測V_CE電壓以在V_CE上升至例如幾十伏特的定義值到減飽和區(qū)域中時檢查減飽和并且確認短路故障情況的狀態(tài)。因此可以在短路故障通過軟關(guān)閉或兩電平關(guān)閉技術(shù)被確認時緩慢地減小IGBT柵極電壓，并且在短的時刻之后，例如5μs之后關(guān)閉IGBT。由于先于關(guān)閉的高的短路電流I_C，V_CE電壓過沖在沒有被緩解的情況下在關(guān)閉之后可以達到危險的電平。通常采用有效鉗位技術(shù)用于過電壓保護以將V_CE鉗位至定義的最大值。通過一些修改，可以將本文中先前描述的V_CE過沖控制技術(shù)擴展以在短路關(guān)閉期間提供過電壓保護。

短路關(guān)閉過電壓保護的操作原理與本文中先前描述的過沖控制的原理相同，因為脈沖信號處理電路110在短路關(guān)閉時立刻生成di_E/dt控制脈沖。由于短路關(guān)閉期間的非常高的電流，短路過電壓保護的di_E/dt控制脈沖的寬度比正常操作所需要的更長。通過使用這樣的長的di_E/dt控制脈沖，在正常操作期間產(chǎn)生了不必要的高的關(guān)閉損失E_OFF。因此，脈沖信號處理電路110生成短路(SC)di_E/dt控制脈沖，其脈沖寬度在由確認短路故障情況的狀態(tài)(例如來自柵極驅(qū)動板中的短路檢測功能)的信號SC啟用時更長。

通過這一SC di_E/dt控制脈沖方法，SC di_E/dt控制脈沖在V_CE過沖期間在更低的V_CE處更早地打開IGBT 102，并且因此比傳統(tǒng)的有效鉗位方法(其在更晚的階段并且在更高的過電壓下實現(xiàn)IGBT打開)更安全。另外，傳統(tǒng)的有效鉗位方法通過在V_CE過沖達到齊納鉗位電壓時立刻打開IGBT(通過有效鉗位齊納二極管傳遞高的脈沖電流以打開IGBT柵極)來防止V_CE過沖超過意圖的鉗位電壓電平。這一電流脈沖導(dǎo)致有效鉗位齊納二極管中的高的瞬時功耗，并且導(dǎo)致諸如DC鏈路過電壓和重復(fù)過載或短路等情況下的高的連續(xù)的功耗。有效鉗位電路中的齊納二極管在沒有被小心地定尺寸的情況下存在過功率故障的風險。另一方面，本文中所描述的di_E/dt控制脈沖方法是信號控制方法，其不涉及其自己的任何功耗。另外，di_E/dt控制脈沖方法不需要從高壓集電極(C)到低壓柵極(G)的任何反饋。

圖9(a)到9(c)圖示圖5(a)到5(c)中所示的相應(yīng)脈沖信號處理電路實施例，其被修改為在附加短路關(guān)閉過電壓保護的情況下根據(jù)V(di_E/dt)信號生成同步的di_E/dt控制脈沖。與圖(a)到5(c)中所示的相應(yīng)功能相比，提供短路(SC)脈沖生成器160以生成寬度比由主脈沖生成器134在正常操作期間針對過沖減小生成的di_E/dt控制脈沖長的SC di_E/dt控制脈沖。SC脈沖生成器160通過SC OVP(過電壓保護)啟用電路162來控制。SC脈沖生成器160與主di_E/dt控制脈沖生成器134由相同的信號放大器132來觸發(fā)，但是在由SC OVP啟用電路162啟用時(例如在柵極驅(qū)動器板中的短路檢測功能檢測到短路時)僅生成SC di_E/dt控制脈沖。SC脈沖生成器160由SC OVP啟用電路162在IGBT 102的正常操作期間來禁止。兩個脈沖生成器134、160的輸出被組合以形成與IGBT柵極驅(qū)動器組合的單個di_E/dt控制脈沖，如本文中先前描述的。這樣，組合的脈沖信號的寬度響應(yīng)于表示短路故障情況的信號(SC)而增加，使得所得到的脈沖寬度對于正常操作更窄并且對于短路操作更寬。

圖10圖示實現(xiàn)有短路關(guān)閉過電壓保護功能的脈沖信號處理電路110、信號組合電路112和輸出緩沖器級114的數(shù)字實施例。圖11示出了對應(yīng)的時序圖。與圖7相比，存在額外的單穩(wěn)態(tài)多振蕩器(U4)170，其用作用于生成SC di_E/dt控制脈沖的SC脈沖生成器。SC脈沖生成器170與主脈沖生成器154通過相同的信號放大器152來觸發(fā)，并且通過SC信號來啟用，例如來自柵極驅(qū)動器板短路檢測功能。當檢測到短路情況時，將SC信號設(shè)置為邏輯高狀態(tài)并且啟用SC脈沖生成器170。當IGBT 102在短路之后關(guān)閉時，下降的I_E給出V(di_E/dt)信號以觸發(fā)SC單穩(wěn)態(tài)多振蕩器170，其進而生成脈沖寬度長于由主脈沖生成器154生成的標準di_E/dt控制脈沖的SC di_E/dt控制脈沖。SC單穩(wěn)態(tài)多振蕩器170的輸出被發(fā)送給信號組合電路156從而在邏輯上與柵極驅(qū)動信號和主脈沖生成器154生成的di_E/dt控制脈沖求和，并且被發(fā)送給輸出緩沖器級114用于驅(qū)動IGBT 102的柵極。

諸如“第一”、“第二”等術(shù)語用于描述各種元素、區(qū)域、部分等，而非意圖限制。相似的術(shù)語遍及本描述指代相似的元素。

如本文中所使用的，術(shù)語“具有”、“包含”、“包括(including)”、“包括(comprising)”等式開放式術(shù)語，其表示所指出的元素或特征的存在，但是不排除另外的元素或特征。冠詞“一個(a)”、“一個(an)”和“該(the)”意圖包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另外清楚地指出。

應(yīng)當理解，本文中所描述的各種實施例的特征可以彼此組合，除非另外明確指出。

雖然已經(jīng)在本文中說明和描述了具體的實施例，然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以用各種替選和/或等同實現(xiàn)來代替所示出和所描述的具體實施例而沒有偏離本發(fā)明的范圍。本申請意圖覆蓋本文中所討論的具體實施例的任何適配或變型。因此，意圖在于，本發(fā)明僅受權(quán)利要求及其等同方案的限制。