[發明專利]IGBT的智能柵極驅動器

有效

• 申請號: 201180074998.4
• 申請日: 2011-11-22
• 公開（公告）號: CN104126273A
• 公開（公告）日: 2014-10-29
• 發明（設計）人: F.霍斯尼;M.莫漢;S.N.R.帕穆拉帕蒂;A.科普塔;M.拉希莫;R.施內里;U.施拉普巴奇
• 申請（專利權）人: ABB技術有限公司
• 主分類號: H03K17/0812
• 分類號: H03K17/0812;H03K17/082;H03K17/18;H03K17/567
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 易皎鶴;劉春元

技術領域

本文公開的本發明涉及功率半導體裝置。更精確地，它涉及反向傳導絕緣柵雙極晶體管（RC-IGBT）、特別地雙模式絕緣柵晶體管（BIGT）的柵極控制器，以及用于驅動這樣的RC-IGBT的方法。?

背景技術

IGBT廣泛地在例如高壓DC（HVDC）設備等包括電壓源轉換器的高功率開關設備中使用。在這樣的應用中，IGBT典型地與并聯布置并且在相反的晶體管方向上傳導的二極管（“續流二極管”）組合。?

RC-IGBT是這樣的芯片，其中晶體管與在相反的晶體管方向上傳導的二極管組合。已經提出許多芯片設計并且其在該概念內使用，這已經進一步相對近地開發到BIGT內（參見第13屆歐洲功率電子和應用會議，EPE‘09（2009年9月8-10日）的M.?Rahimo等人“Realization?of?high?output?power?capability?with?the?bi-mode?insulated?gate?transistor(BIGT)”）。如本文使用的，術語RC-IGBT涵蓋常規RC-IGBT和BIGT兩者。BIGT優于其他RC-IGBT設計的特定優勢是它們在晶體管和二極管模式兩者中的軟關斷行為。它還似乎可能比早期的RC-IGBT技術更進一步地降低BIGT中的反向恢復損耗。?

RC-IGBT中的柵極-發射極電壓控制的方面在WO?2010/149431和WO?2010/149432中論述。這些文獻描述適合于對導通命令的模式依賴型響應的柵極-發射極電壓控制器。實際上，控制器根據從集電極-發射極電壓得到的電壓的值并且指示裝置是在前向還是反向模式傳導而不同地響應。分壓器（其除高壓電阻器外還可包括一個或多個高壓二極管、齊納二極管和/或電壓源）提供該指示電壓作為集電極-發射極電壓的恒定分數?？刂破鲀H在前向傳導模式中響應于所述導通命令而導通晶體管。根據WO?2010/149431，如果控制器檢測到電流已經改變它的方向或如果它接收關斷命令則釋放導通柵極電壓。?

第20屆功率半導體裝置&IC國際研討會議程（2008年5月18-22日）Rahimo等人的另外的文章“A?high?current?3300?V?module?employing?reverse?conducting?IGBTs?setting?a?new?benchmark?in?output?power?capability”描述用于采用RC-IGBT的反向傳導模式來控制它的技術。在采用二極管模式傳導期間，柵極-發射極電壓保持為負的，來將電荷存儲在裝置中并且實現低的前向電壓降。當二極管即將通過導通相反的IGBT而關斷時，短的正柵極-發射極電壓脈沖施加于傳導二極管來使存儲的電荷最小化。可選擇使反向恢復電荷和電流最小化的脈沖定時。?

發明內容

本發明的目標是采用開關周期中的整體能效改進這樣的方式來控制RC-IGBT的柵極-發射極電壓。特定目標是改進在H橋或半橋中（例如在電壓源轉換器中）布置的RC-IGBT的控制。?

因此，本發明提供具有獨立權利要求的特征的控制方法和裝置。從屬權利要求限定有利實施例。?

在第一方面中，控制方法特征在于導通命令引起持續有限的第一時期的初始高電平柵極電壓（或柵極-發射極電壓）脈沖。在脈沖期間，小的電流被饋送到連接點，其一方面經由與RC-IGBT本身串聯布置的單向傳導元件并且另一方面經由與RC-IGBT并聯的支路而電連接到RC-IGBT的發射極端子。關于實際電流路徑的信息可從在連接點處出現的電位得到。從這可確定晶體管是采用它的前向（或IGBT）模式還是它的反向（或二極管）模式傳導。如果電位電流低于（有符號的）閾值，確定晶體管采用它的反向模式傳導。然后，柵極電壓降低到低電平柵極電壓，使得部件上的前向電壓減少。?

若干優勢與本發明關聯。首先，不需要提供專門的分壓器。相反，通常連同IGBT布置的那類抗飽和檢測電路具有供應必要信息用于確定RC-IGBT是采用前向還是反向模式傳導所需要的電性質。此外，因為連接點電位僅在第一時期結束時被監測，允許瞬態電流消失。由于相同的原因，可以以僅可忽略的延遲檢測突發模式改變。更精確地，在接收導通命令的時刻讀取集電極-發射極電壓的極性并且然后在預期瞬態事件的間隔期間中止監測的假設控制算法在該間隔期間將不捕獲模式改變，這可導致供應次最優控制信號。?

在一個實施例中，柵極單元（或柵極控制器）負責將電流饋送到連接點。這有利地減少實踐本發明所需要的專用硬件的量。?