CN103988410B - 用于绝缘栅双极型晶体管的关断过电压限制 - Google Patents

用于绝缘栅双极型晶体管的关断过电压限制 Download PDF

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Abstract

在这里描述了一种用于IGBT的关断过电压限制。在这里描述了，只有在过电压超过预定值期间，才将IGBT两端的过电压的采样注入栅极驱动，以减低栅极电压降低的斜率。在这里还描述了用于增加寄生电感以允许用于限制第二IGBT的关断处的过电压的控制的技术。

Description

用于绝缘栅双极型晶体管的关断过电压限制
技术领域
本公开一般地涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。更具体地，本公开是关于用于限制IGBT上的关断过电压、以由此改善其总体效率的配置和方法。
背景技术
鉴于在电力和/或油电混合动力汽车应用中对于功率逆变器电路所允许的有限空间以及半导体的高额成本，对于集成功率电子设备(power electronics)的需求增加。
用于减少在车辆逆变器中半导体所占据的空间的已知方式在于，增加它们的效率，以允许减少冷却面的尺寸。
在传统逆变器设计中存在的IGBT模块中的损耗主要是由两个来源所造成的；即传导损耗和开关损耗。一般地，用于改善IGBT模块开关损耗的一种方式是通过加速IGBT的接通和关断。然而，在更快IGBT关断的情况下，由于高频环路的杂散电感(stray inductance)所导致的过电压增加得如此之多，以至于经常需要减慢关断来保护该装置，由此严重地影响了逆变器的效率。
附图说明
在附图中：
图1是具有高频环路的典型栅极驱动IGBT配置的电路图，该电路图图示了杂散电感和其中栅极驱动器作为其基准的逻辑连接；
图2是示出了电流和电压波形的图，该电流和电压波形指示出短路状况期间的过电压；
图3是根据说明性实施例的栅极驱动IGBT的电路图，该栅极驱动IGBT使用连接在发射极杂散电感两端的电阻分压器来减少过电压；
图4是示出了IGBT的关断波形的图，该IGBT在500V总线电压的情况下在短路状况中使用电阻分压器；
图5是示出了IGBT的关断波形的图，该IGBT在短路状况中使用针对300V最大总线电压所调整的电阻分压器；
图6是根据另一说明性实施例的驱动IGBT的电路图，该驱动IGBT通过针对顶部IGBT使用变压器来减少过电压；
图7是根据另一说明性实施例的驱动IGBT的电路图，该驱动IGBT通过使用变压器和电阻分压器来减少过电压；
图8是用于IGBT模块的示意布局，其中可以调整顶部IGBT的发射电感；以及
图9是与图8的示意布局相似的用于IGBT模块的另一示意布局。
具体实施方式
根据说明性方面，提供了一种DC到AC功率转换器，该DC到AC功率转换器包括第一和第二IGBT，每一IGBT被提供有栅极、集电极和发射极，每一IGBT的栅极连接到栅极驱动器，所述栅极驱动器包括基准；第一IGBT的栅极驱动器基准连接到所述功率转换器的接地总线，而第二IGBT的栅极驱动器基准连接到第一IGBT的集电极；增加第二IGBT的发射极的寄生电感，以允许用于限制第二IGBT的关断处的过电压的控制。
根据另一说明性方面，提供了一种DC到AC功率转换器，该DC到AC功率转换器包括：第一IGBT，所述第一IGBT被提供有集电极、发射极、栅极和包括基准的栅极驱动器；以及第二IGBT，所述第二IGBT被提供有集电极、发射极、栅极和包括基准的栅极驱动器，所述功率转换器包括：
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联连接，并且连接在第一IGBT的发射极的寄生电感两端；第一IGBT的栅极驱动器基准连接到所述第一和第二电阻器之间的连接点；
变压器，所述变压器具有连接在第二IGBT的集电极的寄生电感两端的初级线圈、和连接到第二IGBT的发射极的寄生电感的次级线圈，第二IGBT的栅极驱动器的基准连接到所述变压器的次级线圈。
根据又一说明性方面，提供了一种DC到AC功率转换器，该DC到AC功率转换器包括：第一IGBT，所述第一IGBT被提供有集电极、发射极、栅极和包括基准的栅极驱动器；以及第二IGBT，所述第二IGBT被提供有集电极、发射极、栅极和包括基准的栅极驱动器，所述功率转换器包括：
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联连接，并且连接在第一IGBT的发射极的寄生电感两端；第一IGBT的栅极驱动器基准连接到所述第一和第二电阻器之间的连接点；
变压器，所述变压器具有连接在第二IGBT的集电极的寄生电感两端的初级线圈、和与第二IGBT的发射极的寄生电感串联连接的次级线圈，第二IGBT的栅极驱动器基准连接到所述晶体管的次级线圈。
当与权利要求和/或说明书中的术语“包括”结合使用时，词语“一”或“一个”的使用可以意指“一个”，但是它也与“一个或多个”、“至少一个”、和“一个或多于一个”的含义相符。相似地，词语“另一个”可以意指至少第二个或更多。
当在本说明书和(多个)权利要求中使用时，词语“包括”(和包括的任何形式，诸如“包括”和“包括”)、“具有”(和具有的任何形式，诸如“具有”和“具有”)、“含有”(和含有的任何形式，诸如“含有”和“含有”)或者“包含”(和包含的任何形式，诸如“包含”和“包含”)是包括性的或者开放式的，并且不排除附加的、未列举的元素或者处理步骤。
在本说明书和所附的权利要求中，使用了本质上是方向性的、几何的和/或空间的各种术语，诸如“纵向的”、“水平的”、“前面的”、“后面的”、“向上的”、“向下的”等。要理解的是，仅仅为了便于描述并且在相对意义中使用这些术语，而无论如何都不应将这些术语解释为对于本公开范围的限制。
一旦阅读了仅仅参考附图、借助于示例所给出的、其说明性实施例的以下非约束性描述，其他目标、优点和特征将变得更加明显。
IGBT的关断处的dI/dt生成总线电压之上的、高频环路的杂散电感两端的电压，该高频环路应用在IGBT两端。在这里提出了一种解决方案，其基于以下原理，即只有在预定值之上的过电压时段期间，才将IGBT两端的过电压的采样注入栅极驱动，以减低栅极电压的斜率，从而降低过电压。
被标记为现有技术的图1公开了例如在三相电动机(未示出)从电池(也未示出)加电时使用的三相功率转换器10的三分之一。
由于这种转换器被认为是公知的，所以在这里将不再详细地描述。然而，要注意的是，已经在图1中表现了固有地在线缆、连接、去耦电容器和电路板轨迹(trace)中提供的电感。
如从图1中可以看出的，每个栅极驱动器的基准连接到对应IGBT的发射极，该发射极典型地已知为逻辑管脚。为了简洁的目的，我们将描述包括IGBT Q1的底部部分。
当关断IGBT Q1时，电流从Q1传递到D2，即过电压的时段；IGBT必须能够支持存在于该电路中的各种寄生电感(Lc、L+bus、Lc-high、Le-high、Lc-low和Le-low)两端的由dI/dt所创建的过电压。实际上，由于电感抵抗其中电流的改变，所以在该电路中出现增加的电压，如可以通过图1所图示的寄生电感的极性所看出的。添加到源电压的这些电压经常导致以下电压，该电压经常大于可能安全地存在于IGBT的集电极和发射极之间的通常最大电压(Vce)。
图2图示了关断处的Vce、Vge和电流I。人们将注意到，在关断的时间处，存在总线电压之上的主要过电压Vce。
一般而言，通过将栅极驱动器的基准从图1的逻辑管脚改变为接地总线(针对底部IGBT Q1)并且改变为底部IGBT的集电极(针对顶部IGBT Q2)，可能在关断期间降低该过电压Vce。
换言之，已经开发出一种技术，用于将栅极驱动器的基准连接到IGBT的功率接头(tab)，而不是连接到逻辑管脚。将发射极电感两端的电压注入栅极驱动器，以在IGBT的发射极处创建负电压，从而减低Vge的负斜率，如在下文中将讨论的一样。结果是对于栅极电压的直接作用，而没有任何延迟和dI/dt限制。
因为在商用IGBT模块中在发射极的逻辑和功率连接之间没有最优的发射极电感，所以已经开发出一种技术，用于使用电阻分压器来对注入栅极驱动电路的过电压的采样进行优化。
图3示出了利用电阻分压器技术的过电压的优化，并且图4示出了用于高达500Vdc总线电压的相关联的波形。
再者，在讨论图3的三相功率转换器12的底部部分的情况下，IGBT Q1包括：集电极14，具有寄生电感Lc-low；发射极16，具有寄生电感Le-low；以及栅极18，经由电阻器R1而连接到栅极驱动器20。栅极驱动器20的基准22连接到电阻分压器电路，该电路包括两个电阻器R2和R3以及二极管D3，该二极管D3使得允许不影响接通。
根据在Q1两端所允许的过电压的等级，来选择电阻器R2和R3的值。图4示出了在500Vdc总线电压处针对操作所优化的电阻分压器的结果，并且图5示出了在300Vdc总线电压处针对操作所优化的电阻分压器的结果。增加R2与R3的比率，以减少该过电压。将与R1串联的两个并联电阻器的值设置为栅极驱动器电阻器。根据适当的换流行为(commutationbehavior)来调整栅极电阻器的值。
通过正确地设置电阻器值，可能减少发射极电感的影响，以获得所允许的最大过电压，从而因此改善效率。
换言之，常规做法在于，在栅极驱动器的接地连接中使用电阻器来限制用于在上部IGBT关断时、保护下部IGBT的栅极驱动器免受负电压的二极管中的电流，已经通过将该电阻器一分为二并且改动两者之间的比率，来修改该常规做法，以限制发射极电感对于dI/dt的影响。虽然总电阻器保持相同，但是电压分压器给出发射极电感的期望权重，以将该过电压限制在期望的等级处。
显然，应该尽可能地对该过电压进行优化，以达到最大的IGBT比率；这通过与连接到功率接头的电阻器R2相比、减少连接到逻辑发射极的电阻器R3来完成。将把发射极电感两端的电压一分为二，并且将在栅极驱动电路中仅仅应用逻辑电阻器两端的电压，以限制栅极电压降低。
要注意的是，尽管将电阻器R2与R3示出为在寄生电感Le-low和LVbus两者两端连接，但是它们也可以仅仅在寄生电感Le-low两端连接，假如该寄生电感足够的话。
图4示出了在图3电路的关断期间的电流I以及电压Vge和Vce。本领域技术人员将注意到，关断期间的过电压Vce被显著地减少(参见平台24)。当通过插入来自寄生电感的电压来减少电压Vge降低速率时，出现此平台24。
此平台的持续时间将显著地影响关断期间的损耗：平台越长，则损耗越高。由于期望同时地限制该过电压及其长度，所以过电压平台的方波形状是合适的。过电压的本征行为(intrinsic behavior)(自然反馈)给出了这个形状。
图4和5示出了当在不同的总线电压处使用电阻分压器时的过电压的方形。
这个技术非常好地作用于底部IGBT，这是因为发射极电感足够大，但是对于顶部IGBT而言，发射极电感经常很小，以至于无法在不增加栅极电阻器的情况下箝位该电压以保护该装置。事实上，在实践中，顶部IGBT的发射极电感经常很小，以至于无法用于将顶部IGBT两端的过电压限制在期望的等级处。
实际上，因为在封装IGBT模块时的约束，所以上部和下部半导体被封装得彼此非常邻近，使得上部IGBT的电感Le-high非常小，处于几个nH的数量级。另一方面，因为下部IGBT除了逻辑发射极之外的唯一连接点是-Vbus功率接头，所以下部IGBT的电感Le-low是上部发射极电感Le-high的5倍。由于其长度和曲线，所以-Vbus接头的连接是高度感性的。
换言之，所有的IGBT模块都具有最为感性的两个功率连接：+Vbus和-Vbus，其是高频环路的一部分。因为-Vbus处于底部IGBT的发射极的路径中，所以它可以用于将该IGBT两端的过电压的采样注入底部IGBT的栅极驱动器。不幸的是，由于+Vbus连接被连接到顶部IGBT的集电极，所以该电感不能直接用作栅极驱动器中的反馈。
为了使用Le-high作为栅极驱动器中的反馈，因此需要设法增加其电感，而不会过度地增加高频环路的总电感。在下文中将描述用于增加Le-high电感的两个可能技术。
为了优化顶部IGBT关断，已经设计出第一种技术，该第一种技术使用集电极寄生电感来注入顶部IGBT两端的过电压的采样，该顶部IGBT使用变压器来将集电极与发射极隔离。
图6示出了变压器的连接。更具体地，变压器的初级线圈T1a连接在Lc-high寄生电感两端，而变压器的次级线圈T1b与电阻器R5串联连接。
因此，当电流在顶部IGBT中降低时，在变压器两端出现负电压，该顶部IGBT在发射极处施加负电压，以减低栅极电压的斜率。在此情况下，还通过变压器的匝数比来执行过电压的优化。
将理解的是，图6电路的操作原理与图3电路的操作原理非常相似，然而，由于顶部IGBT Q2的发射极的寄生电感(Le-high)不足以适当地减低Vce在关断处的负斜率，所以将顶部IGBT Q2的集电极的寄生电感(Lc-high)的采样放置为通过变压器而与Le-high串联。
附图中的图7是根据另一说明性实施例的IGBT驱动的电路图，该IGBT驱动通过使用变压器和电阻分压器的组合来减少过电压。图7图示了与图6电路相似的电路。这些电路之间的主要区别是关于电阻分压器，该电阻分压器包括电阻器R5和R6，其使得能够对Vge的负斜率的形状进行精细调节。
现在，将参考图8和9来描述用于增加顶部IGBT Q2的发射极电感的第二种技术，所述图8和9都图示了IGBT模块的布局的变型。这些IGBT模块布局用于制作图3所图示的电路，其中已经充分地调整了寄生电感Le-high，如在下文中将解释的。
本领域技术人员将理解，增加上部IGBT的寄生电感可能对于总体高频环路的电感具有影响，但是其对于过电压的控制的影响要严重得多。
如可以从图8中看出的，形成IGBT Q2的IGBT102具有安装到轨迹104的集电极，因此该轨迹104被称为C-High，并且它们的发射极经由焊线(wire bonds)110连接到发射极焊盘106。相似地，形成IGBT Q1的IGBT112具有安装到轨迹114的集电极，因此该轨迹114被称为C-Low，并且它们的发射极经由焊线120连接到轨迹118，因此该轨迹118被称为E-Low。
轨迹114还具有连接到其上的集电极焊盘116。
+Vbus接头连接到轨迹104，而-Vbus接头连接到轨迹118。相位接头126连接到轨迹114。
要注意的是，为了清楚的目的，并且由于该图形是示意性的，所以在图8中没有图示IGBT102和112的栅极。
通过U形连接器128来对焊盘106和116进行互连，该U形连接器128具有六(6)个引脚130，其被配置、依大小排列并且定位，以连接到焊盘106和116。本领域技术人员将理解，U形连接器128定义了寄生电感Le-high，这是由于它对Q2的发射极和Q1的集电极进行互连。由于U形连接器128相对大并且包括直角，所以Le-high电感相对高并且能用于限制IGBT Q2中的过电压，如在上文中所讨论的。还将理解的是，可以根据所需要的期望寄生电感来确定连接器128的尺寸和形状。
现在简要地转向图9，将描述用于IGBT模块的相似布局。
一般而言，图8布局与图9布局之间主要区别是接头106的位置，所述接头106被布置为远离焊盘110，以由此允许使用较大的连接器132，并因此允许使用较大的寄生电感Le-high。
要理解的是，并没有将用于IGBT的关断过电压限制在其应用中限于在附图中图示的并且在上文中描述的构造和部分的细节。用于IGBT的关断过电压限制能够具有其他实施例，并且能够按照各种方式来实践。还要理解的是，在这里所使用的语词或术语是用于描述目的，而非限制目的。故此，尽管已经借助于其说明性实施例进行了上面的描述，但是可以对它进行修改，而没有脱离主题发明的精神、范围和本质。

Claims (14)

1.一种DC到AC功率转换器，该DC到AC功率转换器包括第一和第二IGBT以及变压器，每一IGBT被提供有栅极、集电极和发射极，所述变压器具有连接在第二IGBT的集电极的寄生电感两端的初级线圈、和次级线圈，每一IGBT的栅极连接到栅极驱动器，所述栅极驱动器包括基准；第一IGBT的栅极驱动器基准连接到所述功率转换器的接地总线，而第二IGBT的栅极驱动器基准经由该变压器的次级线圈连接到第一IGBT的集电极；通过该变压器的次级线圈增加第二IGBT的发射极的寄生电感，以允许用于限制第二IGBT的关断处的过电压的控制。
2.根据权利要求1的DC到AC功率转换器，其中，该第一IGBT的栅极驱动器包括第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联连接并且连接在该第一IGBT的发射极的寄生电感两端；该第一IGBT的栅极驱动器基准连接到所述第一和第二电阻器之间的连接点；并且其中该第二IGBT的栅极驱动器包括第三和第四电阻器，所述第三和第四电阻器与变压器的次级线圈串联连接、并且连接在该第二IGBT的发射极的寄生电感和该第一IGBT的集电极的寄生电感两端，该第二IGBT的栅极驱动器基准连接到所述第三和第四电阻器之间的连接点。
3.根据权利要求1的DC到AC功率转换器，其中，该变压器的次级线圈与第二IGBT的发射极的寄生电感以及第一和第二电阻器串联连接。
4.根据权利要求1的DC到AC功率转换器，其中，通过在第二IGBT的发射极与第一IGBT的集电极之间提供连接器来增加第二IGBT的发射极的寄生电感，所述连接器被配置为提供增加的等效寄生电感。
5.根据权利要求4的DC到AC功率转换器，其中，第二IGBT的发射极连接到发射极焊盘，并且其中，第一IGBT的集电极连接到集电极焊盘；所述连接器提供在所述发射极焊盘和所述集电极焊盘之间。
6.根据权利要求5的DC到AC功率转换器，其中，所述发射极焊盘包括多个发射极焊盘，并且其中，所述集电极焊盘包括多个集电极焊盘。
7.根据权利要求5的DC到AC功率转换器，其中，所述连接器具有一般U形横截面。
8.根据权利要求7的DC到AC功率转换器，其中，所述连接器包括引脚，所述引脚被配置为与焊盘互连。
9.一种DC到AC功率转换器，该DC到AC功率转换器包括：第一IGBT，所述第一IGBT被提供有集电极、发射极、栅极和包括基准的栅极驱动器；以及第二IGBT，所述第二IGBT被提供有集电极、发射极、栅极和包括基准的栅极驱动器，所述功率转换器包括：
第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联连接，并且连接在第一IGBT的发射极的寄生电感两端；第一IGBT的栅极驱动器基准连接到所述第一和第二电阻器之间的连接点；
变压器，所述变压器具有连接在第二IGBT的集电极的寄生电感两端的初级线圈、和与第二IGBT的发射极的寄生电感串联连接的次级线圈，第二IGBT的栅极驱动器的基准连接到所述变压器的次级线圈。
10.根据权利要求9的DC到AC功率转换器，其中，该第二IGBT的栅极驱动器基准经由第三电阻连接到所述变压器的次级线圈。
11.根据权利要求9的DC到AC功率转换器，其中，所述变压器的次级线圈与第二IGBT的发射极的寄生电感以及第三和第四电阻器串联连接，第二IGBT的栅极驱动器基准连接到所述第三和第四电阻器之间的连接点。
12.根据权利要求11的DC到AC功率转换器，其中，所述变压器的次级线圈与第二IGBT的发射极的寄生电感、第一IGBT的集电极的寄生电感、以及所述第三和第四电阻器串联连接。
13.一种DC到AC功率转换器，该DC到AC功率转换器包括高频环路，该高频环路被提供有：
底部和顶部IGBT，每一IGBT被提供有栅极、集电极和发射极，每一IGBT的栅极连接到栅极驱动器，所述栅极驱动器包括基准；底部IGBT的栅极驱动器基准连接到所述功率转换器的接地总线，而顶部IGBT的栅极驱动器基准连接到底部IGBT的集电极；
寄生电感，所述寄生电感通过所述高频环路的各个元件的互连进行定义；顶部IGBT的发射极和底部IGBT的集电极的寄生电感是所述高频环路的寄生电感的一部分；
其中，通过变压器来将在所述高频环路的寄生电感中感应的一部分电压添加到在顶部IGBT的发射极和底部IGBT的集电极的寄生电感中感应的电压，以减低顶部IGBT的栅极-发射极电压(Vge)的斜率，所述变压器具有连接在所述高频环路的寄生电感两端的初级线圈、和与顶部IGBT的发射极的寄生电感串联的连接到顶部IGBT的栅极驱动器的次级线圈。
14.根据权利要求13的DC到AC功率转换器，其中，针对每一IGBT，所述栅极驱动器包括第一和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联连接并且连接在对应IGBT的发射极的寄生电感两端；所述栅极驱动器基准连接到所述第一和第二电阻器之间的连接点。
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