[發明專利]RC-IGBT開關脈沖控制

有效

• 申請號: 201380075378.1
• 申請日: 2013-04-05
• 公開（公告）號: CN105324939B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發明（設計）人: A·洛克蘭茨;K·尼爾森;Y·姜-赫夫納;C·斯約伯格;L·德夫納斯;W·范-德-默韋
• 申請（專利權）人: ABB技術有限公司
• 主分類號: H03K17/18
• 分類號: H03K17/18;H03K17/567;H03K17/687
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 張金金,姜甜

技術領域

本文所公開的發明涉及功率半導體裝置。更精確的是，其涉及一種控制反向導通絕緣柵雙極晶體管(RC-IGBT)，特別是雙模式絕緣柵晶體管(BIGT)的方法以及用于控制這類RC-IGBT的控制器。

背景技術

IGBT廣泛用于包含電壓源轉換器的高功率開關設備，比如高電壓DC(HVDC)設備。在這類應用中，IGBT通常與并聯布置并且沿反向晶體管方向而導電(“續流二極管”)的二極管組合。

RC-IGBT是其中晶體管與沿反向晶體管方向導電的二極管組合的芯片。在這個概念內已經提出并且使用許多芯片設計，其也已經進一步發展為雙模式絕緣柵晶體管(BIGT)。如本文所使用的，術語RC-IGBT涵蓋常規的RC-IGBT和BIGT。RC-IGBT能夠操作在也稱為晶體管模式或正向模式的IGBT模式(正集電極-發射極電流)下，以及操作在也稱為反向模式的二極管模式(負集電極-發射極電流)下。然而，二極管模式下的陽極效率取決于柵極電壓。當柵極關斷時，二極管模式下的陽極效率為高，而當柵極導通時陽極效率降低。BIGT相對于其他RC-IGBT設計的特別優點在于它們在IGBT和二極管模式下的軟關斷行為。也似乎有可能比在更早RC-IGBT技術中進一步降低在BIGT中反向恢復損耗。

在由Rahimo等人于Proceedings Of 20^th International Symposium on Power Semiconductor Devices&Ics(18-22 May 2008)上名為“A high current 3300V module employing reverse conducting IGBT setting a new benchmark in output power capability”的文章中討論了RC-IGBT中柵極-發射極電壓控制的方面。

發明內容

本發明的目的在于以這種方式控制RC-IGBT對的柵極-發射極電壓，使得改進在開關循環中的整體能量效率。RC-IGBT對例如可布置在電壓源轉換器中的全橋(諸如H橋)或半橋中。

因此，本發明提供了一種具有獨立權利要求中所闡述的特征的控制方法和控制器。本發明的有利實施例由從屬權利要求限定。

因此，根據第一方面，提供了一種控制串聯電連接的第一和第二反向導通絕緣柵雙極晶體管(RC-IGBT)的方法。第一RC-IGBT的集電極電連接到直流(DC)電壓源的正極，并且第二RC-IGBT的發射極電連接到DC電壓源的負極。此外，第一RC-IGBT的發射極電連接到第二RC-IGBT的集電極以形成交流(AC)端子。方法包括將柵極電壓應用到第一和第二RC-IGBT的相應的柵極。基于AC端子上輸出電流的幅度和方向以及基于為相應的RC-IGBT指示目標導通和關斷時刻的命令信號(Cmd)而控制柵極電壓。

根據第二方面，提供了一種用于控制第一和第二RC-IGBT的控制器。第一和第二RC-IGBT串聯電連接并且布置，使得第一RC-IGBT的集電極電連接到DC電壓源的正極，并且第二RC-IGBT的發射極電連接到DC電壓源的負極。第一RC-IGBT的發射極電連接到第二RC-IGBT的集電極以形成AC端子，并且控制器連接到布置成測量從AC端子流出的輸出電流的定向電流計。控制器包括適用于接收為相應的RC-IGBT指示目標導通和關斷時刻的命令信號的輸入電路。控制器也包括適用于從電流計接收關于AC端子上所測輸出電流的幅度和方向的信息的處理器。處理器進一步適用于基于所接收到的命令信號以及所接收到的關于所測輸出電流的幅度和方向的信息而確定用于應用到第一和第二RC-IGBT的相應的柵極的柵極電壓。控制器進一步包括連接到第一和第二RC-IGBT的相應的柵極的輸出電路，其中輸出電路適用于將所確定的柵極電壓應用到第一和第二RC-IGBT的相應的柵極。

根據第三方面，提供了一種用于在AC和DC電流之間轉換的電壓源轉換器。電壓源轉換器包括所連接的RC-IGBT的布置，至少包括串聯電連接的第一和第二RC-IGBT，并且被布置，使得第一RC-IGBT的集電極電連接到DC電壓源的正極，以及第二RC-IGBT的發射極電連接到DC電壓源的負極。第一RC-IGBT的發射極電連接到第二RC-IGBT的集電極以形成AC端子。電壓源轉換器進一步包括按照本發明第二方面的控制器。