CN104247266B - 复合半导体开关装置 - Google Patents

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Abstract

复合半导体开关装置具有：第1半导体元件(11)，其随着导通/截止的开关动作产生开关损耗；第2半导体元件(12)，其与第1半导体元件(11)并联连接，并且随着导通/截止的开关动作产生比第1半导体元件(11)高的开关损耗；以及控制器(20)，其在向第1半导体元件(11)提供第1导通指令信号后向第2半导体元件(12)提供第2导通指令信号，然后使第1导通指令信号消失，在向第1半导体元件(11)提供第3导通指令信号后使第2导通指令信号消失。

Description

复合半导体开关装置
技术领域
本发明涉及复合半导体开关装置。
背景技术
过去的复合半导体开关装置如下述专利文献1所示，将金属氧化膜半导体场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管并联连接使其进行开关动作，由此进行电力变换，在这种开关电路中，金属氧化膜半导体场效应晶体管的栅极阈值电压比绝缘栅双极晶体管的栅极阈值电压低。
即，将IGBT和MOSFET并联连接，在小电流时使电流在饱和电压比IGBT低的MOSFET中流过，在中电流时使IGBT和MOSFET分担电流，在大电流时使电流在饱和电压比MOSFET低的IGBT中流过。
根据这种复合半导体开关装置，导通时的饱和电压在小电流区域中在MOSFET侧、在大电流区域中在IGBT侧，因而在全部电流区域中比MOSFET单体或者IGBT单体的饱和电压低，导通损耗减小，变换效率提高。
另一过去的复合半导体开关装置如下述专利文献2所示，具有脉冲发生器和为向负载供电而被并联连接的开关晶体管，其中，该脉冲发生器响应负载电流，提供在各脉冲周期分别具有一个脉冲信号的经脉宽调制后的脉冲周期。该复合半导体开关装置还具有交替选择器，该交替选择器使得在脉冲周期中规定的晶体管先于其它晶体管转为导通来消耗全部导通损耗，并且使规定的晶体管迟于其它晶体管转为截止来消耗全部截止损耗。
根据这种复合半导体开关装置，在将MOSFET晶体管并联连接的情况下，能够使各晶体管均等地分担开关损耗。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-90933号公报
专利文献2：日本特开平6-90151号公报
发明内容
发明要解决的问题
上述专利文献1所记载的复合半导体开关装置是根据栅极的阈值电压使MOSFET、IGBT负担半导体元件的开关损耗的技术，上述专利文献2所记载的复合半导体开关装置是使在晶体管的导通及截止时产生的开关损耗均等的技术。但是发现存在如下问题：在半导体元件中存在开关损耗和稳态损耗，关于这两者的电力损耗，在构成复合半导体开关装置的第1半导体元件和第2半导体元件的电力损耗特性不同的情况下，将不能按照该电力损耗特性使各半导体元件适当负担开关损耗和稳态损耗。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，提供一种复合半导体开关装置，其将被并联连接的开关损耗特性不同的第1和第2半导体元件并联连接，按照这些第1和第2半导体元件的电力损耗特性，向第1和第2半导体元件提供控制指令信号。
用于解决问题的手段
第1发明的复合半导体开关装置的特征在于，该复合半导体开关装置具有：第1半导体元件，其随着导通/截止的开关动作产生开关损耗；第2半导体元件，其与该第1半导体元件并联连接，并且随着导通/截止的开关动作产生比所述第1半导体元件高的所述开关损耗；以及控制单元，其在向所述第1半导体元件提供第1导通指令信号后向所述第2半导体元件提供第2导通指令信号，然后使所述第1导通指令信号消失，在向所述第1半导体元件提供第3导通指令信号后使所述第2导通指令信号消失。
根据这种复合半导体开关装置，通过控制单元在向第1半导体元件提供第1导通指令信号使第1半导体元件导通后，向第2半导体元件提供第2导通指令信号，然后使第1导通指令信号消失，在向第1半导体元件提供第3导通指令信号后使第2导通指令信号消失。
由此，仅在第1半导体元件产生导通/截止损耗，在第2半导体元件产生稳态损耗，因此能够按照开关损耗特性使各半导体元件适当分担电力损耗。
优选的是，第2发明的复合半导体开关装置的控制单元产生第1及第2导通指令信号，使得第2导通指令信号在上升时与第1导通指令信号的重合达第2半导体元件的接通时间(turn-on time)以上且在该接通时间的二倍以下。
由此，在第1半导体元件接通的状态下，在第2半导体元件可靠接通后，使第1半导体元件迅速截止，因而能够降低第1半导体元件的稳定时的电力损耗。
优选的是，第3发明的复合半导体开关装置的控制单元产生第2及第3导通指令信号，使得第3导通指令信号在上升时与第2导通指令信号的重合达第2半导体元件的关断时间(turn-off time)以上且在该关断时间的二倍以下。
由此，在第1半导体元件导通的状态下，在第2半导体元件关断后，使第1半导体元件迅速截止，因而能够降低第1半导体元件的稳定时的电力损耗。
另外，通过将上述第2及第3发明的复合半导体开关装置进行组合，能够使第1半导体元件大致分担导通/截止损耗，使第2半导体元件大致分担稳态损耗。因此，能够适当地使第1半导体元件分担导通/截止损耗、使第2半导体元件分担稳态损耗。
发明效果
根据本发明，将被并联连接的开关损耗特性不同的第1和第2半导体元件并联连接，考虑这些半导体元件的开关损耗特性向第1、第2半导体元件分别提供第1、第2控制指令信号，因而能够得到适当地使第1、第2半导体元件负担开关损耗的复合半导体开关装置。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的复合半导体开关装置的整体图。
图2是示出图1所示的复合半导体开关装置的动作的时序图。
标号说明
1 复合半导体开关装置；11 第1半导体元件；12 第2半导体元件；20 控制器；20a第1控制指令信号；20b 第2控制指令信号。
具体实施方式
实施方式1
根据图1和图2说明本发明的一个实施方式。图1是示出本发明的一个实施方式的复合半导体开关装置的整体图，图2是示出图1所示的复合半导体开关装置的动作的时序图。
在图1中，复合半导体开关装置1包括由可开关半导体元件构成的半导体开关部10、和对半导体开关部10产生控制指令信号的控制器20。
半导体开关部10具有：第1半导体元件11，其由SiC MOSFET构成；第2半导体元件12，其与第1半导体元件11并联连接，且由开关损耗比第1半导体元件大的Si IGBT构成。另外，半导体开关部10具有驱动第1半导体元件11的第1栅极端子Ga、和驱动第2半导体元件12的第2栅极端子Gb，并具有两个输出端子Oa、Ob。
其中，第1半导体元件11具有损耗比第2半导体元件12低的高速开关特性，但难点是成本高。
控制器20形成为，产生驱动第1半导体元件11的第1控制指令信号20a，并且产生驱动第2半导体元件12的第2控制指令信号20b。如图2所示，第1控制指令信号20a形成为在基准时间t1，在比第1半导体元件11的接通时间(turn-on time)稍长的时间、即第1固定时间ton1的期间中提供第1导通指令信号；第2控制指令信号20b形成为，在从相对于基准时间t1延迟了时间ta后的时间t2起的第2固定时间ton2的期间中，产生第2导通指令信号。
在此，在产生了第1导通指令信号时，在从第2导通指令信号的上升起很短时间的期间中，第1导通指令信号和第2导通指令信号重合。这是为了通过在第1半导体元件11导通时使第2半导体元件12导通，使得不产生第2半导体元件12导通时的开关损耗。
另外，控制器20形成为在从时间t2起经过了比时间ton2稍短的时间tb后的时间t3，使在产生第3导通指令信号后在第3固定时间ton3的期间中持续产生该信号，然后在时间t4消失。在此，在第2导通指令信号结束时，第3导通指令信号和第2导通指令信号重合很短的时间。这是为了通过在第1半导体元件11导通时使第2半导体元件12截止，使得不产生第2半导体元件12截止时的开关损耗。
接着，控制器20形成为，在从时间t4起的时间ts期间产生作为第1及第2控制指令信号的截止指令，使第1及第2半导体元件11、12截止。这样，控制器20在时间t1～时间t5期间形成如下的一个周期：即在时间t1产生第1导通指令信号达第1固定时间ton1，在时间t2产生第2导通指令信号达第2固定时间ton2，在时间t3产生第3导通指令信号达第3固定时间ton3，在时间t4使第1及第2控制指令信号停止。并且，从时间t5(t1)起开始接下来的一个周期。
参照图1和图2说明如上所述构成的复合半导体开关装置的动作。控制器20在基准时间t1，对于第1半导体元件11在第1固定时间ton1期间向半导体开关部10的第1栅极端子Ga输入第1导通指令信号，第1半导体元件11接通，电流流过负载(未图示)。控制器20在从基准时间t1起经过了时间ta后的时间t2，在第2固定时间ton2期间向第2栅极端子Gb输入第2导通指令信号，在第1半导体元件11可靠导通的状态下，第2半导体元件12接通。在从时间t2起经过了很短的时间后，第1导通指令信号消失，第1半导体元件11截止，只有第2半导体元件12短暂导通，电流流过负载(未图示)。
在此，优选的是，控制器20产生如下的第1及第2导通指令信号，使得在时间t2的导通指令信号在上升时与第1导通指令信号的重合达第2半导体元件12的接通时间以上、且在该接通时间的二倍以下。因为通过在第2半导体元件可靠接通后使第1半导体元件迅速截止，能够降低第1半导体元件11的稳定时的电力损耗。
另外，控制器20在从时间t2起经过了比第2固定时间ton2稍短的时间tb后的时间t3，在第3固定时间ton3期间产生第3导通指令信号，使第1半导体元件11导通。在从时间t3起经过了很短的时间后，第2导通指令信号消失，第2半导体元件12截止，只有第1半导体元件11短暂导通，电流流过负载(未图示)。
在此，优选的是，控制器20产生如下的第2及第3导通指令信号，使得在时间t3的第3导通指令信号在上升时与第2导通指令信号的重合达第2半导体元件12的关断时间(turn-off time)以上、且在该关断时间的二倍以下。因为通过在第1半导体元件导通的状态下使第2半导体元件12关断后，使第1半导体元件11迅速截止，能够降低第1半导体元件11的稳定时的电力损耗。
然后，从控制器20产生的第3导通指令信号在时间t4消失，控制器20在从时间t4起的第4固定时间ts的期间，向第1栅极端子Ga、第2栅极端子Gb分别输入第1、第2截止指令信号，使第1及第2半导体元件11、12持续截止。这样，作为控制指令信号的第1及第2截止指令信号20a、20b在时间t1～时间t5期间形成一个周期，通过反复该周期来驱动半导体开关部10。
上述的复合半导体开关装置具有：第1半导体元件11，其能够进行导通/截止的开关动作；第2半导体元件12，其与第1半导体元件11并联连接，并且能够以比第1半导体元件11高的开关损耗进行导通/截止的开关动作；以及控制器20，其在向第1半导体元件11提供第1导通指令信号后向第2半导体元件12提供第2导通指令信号，然后使第1导通指令信号消失，在向第1半导体元件11提供第3导通指令信号后使第2导通指令信号消失。
根据这种复合半导体开关装置1，具备与第1半导体元件11并联连接且具有比第1半导体元件11高的开关损耗的第2半导体元件12，通过控制器20使第1半导体元件11导通/截止，并且在从导通到截止的期间使第2半导体元件12导通。由此，仅在第1半导体元件11产生导通/截止损耗，在第2半导体元件12产生稳态损耗，因而能够根据开关损耗使各半导体元件11、12进行分担。由此，能够减小第1半导体元件11的额定电力损耗。
产业上的可利用性
本发明能够应用于复合半导体开关装置。

Claims (3)

1.一种复合半导体开关装置，其特征在于，该复合半导体开关装置具有：
第1半导体元件，其随着导通/截止的开关动作产生开关损耗；
第2半导体元件，其与该第1半导体元件并联连接，并且随着导通/截止的开关动作产生比所述第1半导体元件高的所述开关损耗；以及
控制单元，其在向所述第1半导体元件提供第1导通指令信号后向所述第2半导体元件提供第2导通指令信号，然后使所述第1导通指令信号消失，在向所述第1半导体元件提供第3导通指令信号后使所述第2导通指令信号消失。
2.根据权利要求1所述的复合半导体开关装置，其特征在于，所述控制单元产生第1导通指令信号及第2导通指令信号，使得所述第2导通指令信号在上升时与所述第1导通指令信号的重合时长达所述第2半导体元件的接通时间以上且在该接通时间的二倍以下。
3.根据权利要求1或2所述的复合半导体开关装置，其特征在于，所述控制单元产生第2导通指令信号及第3导通指令信号，使得所述第3导通指令信号在上升时与所述第2导通指令信号的重合时长达所述第2半导体元件的关断时间以上且在该关断时间的二倍以下。
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