CN102118100B

CN102118100B - 用于功率半导体器件的电路布置

Info

Publication number: CN102118100B
Application number: CN201110005331.0A
Authority: CN
Inventors: 斯特凡·舒勒
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2011-01-05
Publication date: 2015-04-01
Anticipated expiration: 2031-01-05
Also published as: EP2343804A2; EP2343804A3; CN102118100A; EP2343804B1

Abstract

本发明涉及一种用于功率半导体器件(2)的电路布置，该电路布置包括：多个模块(M1、M2、M3、M4)，在这些模块中，各有一个驱动器(3)与至少一个功率半导体器件(2)通过至少一条第一线路(4)连接，其中，设置有通过第二线路(6)与驱动器(3)相连的开关时间点电路(5)，利用该开关时间点电路能够针对驱动器(3)中的每一个驱动器生成独享的开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)。根据本发明的电路布置克服根据现有技术的缺陷、尽可能耐用。即使在与不是为了实现耐用性而安排的控制电路进行组合时，也应实现该电路布置的耐用性。根据本发明还提供一种用于运行功率半导体电路的方法，利用该方法能够延长功率半导体电路的使用寿命。

Description

用于功率半导体器件的电路布置

技术领域

本发明涉及一种用于功率半导体器件的电路布置。

背景技术

这种电路布置尤其应用于制造变流器。在此，多个并联的功率半导体器件与一个驱动器通过至少一条第一线路或通常至少一条栅极线(Gateleitung)连接。驱动器同时对功率半导体器件进行开关。通过控制电路来控制该驱动器。

在使用现代的功率半导体器件如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)时，由于其很高的开关速度而产生不同的技术问题。这些技术问题例如在EP 0 961 379 B1中的段落[0002]至[0017]中有所述及。尤其是在栅极线相对长地构成时，会产生寄生电感。因此，耦合到栅极线中的干扰信号不能充分地得到抑制。干扰信号大多数情况下涉及电压峰值。除此之外，在栅极线中会感应出电压，这些电压由于在开关时形成的强磁场而产生。这种电压有时导致各个功率半导体器件的开关行为中的不对称。

为了克服这些技术问题，根据EP 0 961 379 B1提出：测量功率半导体器件的至少两个运行参数并且将所测量到的运行参数与进一步计算出的参数组合成综合特性曲线。所述综合特性曲线的数据通过模拟的信号处理连续地估算。如果从估算中得出即将出现过载，那么借助布置在上级的控制电路来改变控制的参数，以便反作用于所述过载以及反作用于断开。因此，该控制电路必须特定地构造，以便获取和加工由模拟的信号处理所提供的数据。

发明内容

本发明的目的在于，克服根据现有技术的缺陷。尤其应提供一种用于功率半导体器件的、尽可能耐用的电路布置。在此，尤其是即使在与如下控制电路进行组合时，也应实现该电路布置的耐用性，该控制电路不是为了实现该目的而特别安排的。根据本发明的另一目标，应提供一种用于运行功率半导体电路的方法，利用该方法能够延长功率半导体电路的使用寿命。

该目的通过如下用于功率半导体器件的电路布置以及如下用于运行功率半导体电路的方法来实现。对本发明合乎目的的构造形式随后进行描述。

根据本发明的措施，提出一种用于功率半导体器件的电路布置，该电路布置包括：

多个模块，在这些模块中，各有一个驱动器与至少一个功率半导体器件通过至少一条第一线路连接，

其中，设置有通过第二线路与驱动器相连的开关时间点电路，利用该开关时间点电路可以针对驱动器中的每一个驱动器生成独享的开关信号。

其中，关于开关时间点，开关信号中的每个开关信号对相应驱动器来说都是独享的，

其中，能够运行开关时间点电路以依赖于控制信号地生成独享的开关信号，其中，能够以预先给定的独享的开关偏移生成开关信号中的至少几个开关信号，

其中，以如下方式选择相应的开关偏移，即，使功率半导体器件的异步的开关行为得到修正。

此外，根据本发明的措施，还提出一种用于运行功率半导体电路的方法，该功率半导体电路包括：

按照本发明提出的、对开关时间点电路的设置能够实现的是：独享地、尤其是在不同的时间点上、为了接通和断开功率半导体器件而对驱动器进行控制。由此能够补偿各个功率半导体器件开关行为中的不对称。除此之外，能够实现的是：还依赖于其他参数以如下方式对功率半导体器件进行开关，即，在总体上延长电路布置的使用寿命。

可以将按照本发明的模块整合在电路布置的功率部分(Leistungsteil)中。模块中的每个模块都包括驱动器，为该驱动器以合乎目的的方式配有多个功率半导体器件。此外，为了控制驱动器而设置有开关时间点电路。以合乎目的的方式，开关时间点电路同样是功率部分的组成部分。该开关时间点电路从与其相连的控制电路中获得控制信号，该控制电路能够以传统的方式构成。

由控制电路提供的控制信号借助开关时间点电路被转换成一定数量的开关信号，该数量与驱动器的数量相应。在此，关于开关时间点和/或开关时间(Schaltdauer)，开关信号中的每个开关信号对相应驱动器来说都是独享的。

利用开关时间点电路生成的开关信号具有优点地可以在时间上以如下方式彼此协调，即，能够使至少一个对功率半导体器件的开关时间点产生影响的变量得到补偿并且能够实现对功率半导体器件同时地进行开关。

根据本发明的其他构造形式，设置有通过第三线路与开关时间点电路相连的控制电路，该控制电路用于生成控制信号，以便对开关时间点控制装置进行控制。控制电路可以是单独的模块，该模块通过适当的接口与开关时间点电路相连，该接口可以是第三线路的组成部分。控制电路能够实现以相应使用目的为导向地运行功率部分。

以合乎目的的方式，能够运行开关时间点电路以依赖于控制信号地生成独享的开关信号，其中，能够以预先给定的独享的开关偏移生成开关信号中的至少几个开关信号。在此，以如下方式选择相应的开关偏移，即，使例如由于电路布置的布局所产生的功率半导体器件或模块的异步的开关行为得到修正。由此，能够通过均匀的负载分布来减小功率半导体器件的温度负荷并且总体上改善电路布置的可靠性。对此不一定需要对控制电路进行特定的适配。

待补偿的变量可以通过针对每个驱动器固定不变地预先给定的开关偏移来补偿。以合乎目的的方式，将与开关时间点电路相连的测量装置设置在模块中的每个模块上，该测量装置用于测量所述变量。在这种情况下，可以运行开关时间点电路以依赖于所测量到的变量地生成独享的开关偏移。由此可以动态地对变量的变化作出反应。这进一步提高了电路布置的可靠性并且由此也提高了电路布置的耐久性。

根据其他构造形式，能够以如下方式来运行开关时间点电路，即，在超过针对变量所预先给定的极限值时，针对相关的模块不生成开关信号。也就是说，在超过极限值(例如预先给定的温度)时，不再对模块进行控制，以便避免过载和由此可能引起的破坏。对此可供选择地，也能够实现的是：以缩短的开关时间来运行相关模块，例如，与其他模块相比，更晚地接通和/或更早地断开。

尤其在这种情况下具有优点的是，能够运行开关时间点电路以在超过极限值时生成故障信息。该故障信息能够由控制电路获取并且能够在需要时向使用者显示电路布置的减小的功率或即将发生的故障。

利用测量装置所测量到的变量具有优点地是模块的温度和/或由模块生成的电流。能够运行开关时间点电路以从由测量装置所测量到的测量值确定描述模块的当前负载的负载值。也就是说，可以确定描述出模块的当前负载的负载值。这使得能够实现对相应开关偏移进行准确的调整。也可以将负载值传送给控制电路。可以出于显示目的、控制目的或调节目的使用该负载值。

此外，合乎目的的是，在至少一个模块中，所有的功率半导体器件与驱动器都通过等长的第一线路相连。由此避免构成不同的寄生电感。以合乎目的的方式，模块结构相同地实施。这简化了电路布置的制造。

每个驱动器都以合乎目的方式与电源相连。该电源用于提供为了对功率半导体器件进行开关所需的电压，该电压在8至20伏的范围内。而控制信号和/或开关信号优选地具有从1.5至5伏的较小的电压。

根据本发明的其他措施，提出一种用于运行功率半导体电路的方法，所述功率半导体电路包括：

其中，借助通过第二线路与驱动器相连的开关时间点电路，针对驱动器中的每一个驱动器生成独享的开关信号。

就该方法的优点以及其构造形式而言参阅前述的关于装置的实施。在那里所描述的特征同样适用于该方法。

附图说明

下面借助附图对本发明的实施例详细地进行阐释。其中：

图1示出按照本发明的电路布置的示例，

图2a示出由控制电路生成的、关于时间的控制信号以及

图2b-e示出利用开关时间点电路生成的、关于时间的开关信号。

具体实施方式

图1中，通过虚线标明的功率部分包括多个模块M1-M4。模块M1-M4具有优点地结构相同地实施。模块M1-M4中的每一个模块都具有例如DCB基底1，在该DCB基底上容纳有多个功率半导体器件2，例如IGBT。用附图标记3表示驱动器或功率驱动器，该驱动器或功率驱动器可以例如由IC(集成电路)形成。驱动器3分别通过等长的栅极线或第一线路4与功率半导体器件2相连。

用附图标记5表示开关时间点电路，该开关时间点电路例如以微控制器的方式构成。开关时间点电路5与驱动器3中的每个驱动器分别通过一条第二线路6相连。

在模块M1-M4中的每个模块上分别安设有温度测量装置7，例如热电偶，该热电偶通过测量线路8与开关时间点电路5相连。用附图标记9表示控制电路，该控制电路形成单独的组件并且可以与功率部分导电连接。用于将控制信号从控制电路传送给开关时间点电路5的第三线路用附图标记10表示。通过第四线路11可以从开关时间点电路5将例如故障信息、负载值或类似的信号传送给控制电路9。

现在结合图2a至2e详细地阐述图1中所示电路布置的功能。

由控制电路9生成控制信号S，图2中示例性地示出这些控制信号中的一个控制信号。在此，该控制信号示例性地涉及矩形信号，作为PMW信号的部分。

在控制信号S的基础上，由开关时间点电路5为驱动器3中的每个驱动器分别生成一个独享的开关信号SA1、SA2、SA3、SA4。开关信号SA1、SA2、SA3、SA4以在时间上错开开关偏移SO1、SO2、SO3、SO4的方式生成。通过开关偏移SO1、SO2、SO3、SO4来补偿例如由于电路布置的布局引起的开关时间延迟，并且因此实现例如同时地对功率半导体器件2进行开关。能够避免由时间上错开地对功率半导体器件2进行开关而引起的温度升高，并且因此改善电路布置的可靠性。

开关偏移SO1、SO2、SO3、SO4可以是固定不变地预先给定的值。但也可以动态地调整开关偏移SO1、SO2、SO3、SO4。这种调整例如可以依赖于所测量到的变量来进行。例如，可以利用温度测量装置7来获取模块M1-M4中每个模块的温度。作为另外的变量，例如可以测量由模块M1-M4中的每个模块所提供的、用于测定适当负载值的输出电流。在负载值的测定中也可以包含其它参数，这些参数例如描述的是功率半导体器件2的时效。依赖于所计算的负载值，能够以适当的方式如此地调整开关偏移SO1、SO2、SO3、SO4，即，在很宽的工作范围上实现功率半导体器件2的最佳开关行为。

此外，可以针对负载值限定极限值或阈值。在达到极限值时，可以借助开关时间点电路5来中断对相应模块M1-M4的控制。因此能够避免相应模块M1-M4过载并且避免由此所引起的破坏。在这种情况下，可以通过第四线路11向控制电路9提供故障信号。

最后，也能够实现的是，借助开关时间点电路5以如下方式控制和/或调节针对每个模块的接通时间点和断开时间点，即，例如依赖于所测量到的变量来改变开关时间。开关时间在此能够以如下方式得以调整，即，例如将模块的温度保持在预先给定的范围内。

附图标记列表

1 DCB基底

2 功率半导体器件

3 驱动器

4 第一线路

5 开关时间点电路

6 第二线路

7 温度测量装置

8 测量线路

9 控制电路

10 第三线路

11 第四线路

M1、M2、M3、M4 模块

S 控制信号

SA1、SA2、SA3、SA4 开关信号

SO1、SO2、SO3、SO4 开关偏移

Claims

1.用于功率半导体器件(2)的电路布置，所述电路布置包括：

多个模块(M1、M2、M3、M4)，在所述模块中，各有一个驱动器(3)与至少一个功率半导体器件(2)通过至少一条第一线路(4)连接，

其中，设置有通过第二线路(6)与所述驱动器(3)相连的开关时间点电路(5)，利用所述开关时间点电路能够针对所述驱动器(3)中的每一个驱动器生成独享的开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)，

其中，关于开关时间点，所述开关信号中的每个开关信号对相应驱动器来说都是独享的，

其中，能够运行所述开关时间点电路(5)以依赖于控制信号(S)地生成独享的所述开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)，其中，能够以预先给定的独享的开关偏移(SO1、SO2、SO3、SO4)生成所述开关信号中的至少几个开关信号，

其中，以如下方式选择相应的开关偏移，即，使所述功率半导体器件的异步的开关行为得到修正。

2.根据权利要求1所述的电路布置，其中，利用所述开关时间点电路(5)生成的所述开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)能够在时间上以如下方式彼此协调，即，能够使至少一个对所述功率半导体器件(2)的开关时间点产生影响的变量得到补偿并且能够实现对所述功率半导体器件(2)同时地进行开关。

3.根据权利要求1或2所述的电路布置，其中，设置有通过第三线路(10)与所述开关时间点电路(5)相连的控制电路(9)，所述控制电路用于生成控制信号(S)，以便对开关时间点控制装置(5)进行控制。

4.根据权利要求2所述的电路布置，其中，在所述模块(M1、M2、M3、M4)中的每个模块上都设置有与开关时间点电路相连的测量装置(7)，所述测量装置用于测量所述变量。

5.根据权利要求4所述的电路布置，其中，能够运行所述开关时间点电路(5)以依赖于所测量到的所述变量地生成独享的所述开关偏移(SO1、SO2、SO3、SO4)。

6.根据权利要求2所述的电路布置，其中，能够以如下方式来运行所述开关时间点电路(5)，即，在超过针对所述变量所预先给定的极限值时，针对相关的所述模块(M1、M2、M3、M4)不生成开关信号。

7.根据权利要求6所述的电路布置，其中，能够运行所述开关时间点电路(5)以在超过所述极限值时生成故障信息。

8.根据权利要求4所述的电路布置，其中，利用所述测量装置(7)所测量到的所述变量是所述模块(M1、M2、M3、M4)的温度和/或由所述模块(M1、M2、M3、M4)生成的电流。

9.根据权利要求4所述的电路布置，其中，能够运行所述开关时间点电路以从由所述测量装置(7)所测量到的测量值确定描述所述模块(M1、M2、M3、M4)的当前负载的负载值。

10.根据权利要求1-2以及4-9中任意一项所述的电路布置，其中，在至少一个模块(M1、M2、M3、M4)中，多个功率半导体器件(2)与所述驱动器(3)通过等长的第一线路(4)相连。

11.根据权利要求1-2以及4-9中任意一项所述的电路布置，其中，所述模块(M1、M2、M3、M4)结构相同地实施。

12.根据权利要求1-2以及4-9中任意一项所述的电路布置，其中，每个驱动器(3)都与电源相连。

13.根据权利要求1-2以及4-9中任意一项所述的电路布置，其中，所述控制信号(S)和/或开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)具有从1.5至5V的电压。

14.用于运行功率半导体电路的方法，所述功率半导体电路包括：

其中，借助通过第二线路(6)与所述驱动器(3)相连的开关时间点电路(5)，针对所述驱动器(3)中的每一个驱动器生成独享的开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)，

其中，运行所述开关时间点电路(5)以依赖于控制信号(S)地生成独享的所述开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)，其中，以预先给定的独享的开关偏移(SO1、SO2、SO3、SO4)生成所述开关信号中的至少几个开关信号，

15.根据权利要求14所述的方法，其中，利用所述开关时间点电路(5)生成的所述开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)在时间上以如下方式彼此协调，即，使至少一个对所述功率半导体器件(2)的开关时间点产生影响的变量得到补偿并且实现对所述功率半导体器件(2)同时地进行开关。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，设置有通过第三线路(10)与所述开关时间点电路(5)相连的控制电路(9)，所述控制电路用于生成控制信号(S)，以便对开关时间点控制装置(5)进行控制，并且其中，借助所述开关时间点电路(5)，依赖于所述控制信号(S)地生成独享的所述开关信号(SA1、SA2、SA3、SA4)。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，能够以预先给定的独享的开关偏移(SO1、SO2、SO3、SO4)生成所述开关信号中的至少几个开关信号。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，借助与开关时间点电路相连的测量装置(7)来测量所述模块(M1、M2、M3、M4)中的每个模块上的所述变量。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，借助所述开关时间点电路(5)，依赖于所测量到的所述变量地生成独享的所述开关偏移(SO1、SO2、SO3、SO4)。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，在超过针对所述变量所预先给定的极限值时，针对相关的所述模块(M1、M2、M3、M4)不生成开关信号。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，借助所述开关时间点电路(5)，在超过所述极限值时生成故障信息。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，利用所述测量装置(7)测量所述模块(M1、M2、M3、M4)的温度和/或由所述模块(M1、M2、M3、M4)生成的电流作为变量。

23.根据权利要求18所述的方法，其中，从由所述测量装置(7)所测量到的测量值确定描述所述模块(M1、M2、M3、M4)的当前负载的负载值。

24.根据权利要求14至15以及18至23中任意一项所述的方法，其中，在至少一个模块(M1、M2、M3、M4)中，为了将多个功率半导体器件(2)与所述驱动器(3)连接，使用等长的第一线路(4)。

25.根据权利要求14至15以及18至23中任意一项所述的方法，其中，使用结构相同地实施的模块(M1、M2、M3、M4)。