CN107768364B - 一种igbt集成器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT集成器件，包括：PCB电路板、开关速度调节电路、多个IGBT芯片，其中，多个IGBT芯片并联组成多个子单元，各子单元中包含至少两个IGBT芯片；多个子单元分别与PCB电路板并联连接；开关速度调节电路设置于PCB电路板上，连接于子单元的栅极驱动电路输入口或输出口，通过开关速度调节电路调节各子单元的IGBT开关速度。每个子单元对应一个开关速度调节电路，确保所有子单元的开关过程一致性，实现芯片的并联均流，避免部分芯片因承受过大电流烧毁，从而使器件电流提升并提高器件可靠性。

Description

一种IGBT集成器件
技术领域
本发明涉及大功率电力电子器件领域，具体涉及一种IGBT集成器件。
背景技术
IGBT广泛应用于新能源、输变电、轨道交通、冶金、化工等领域，是目前发展最为迅猛的电力电子器件。由于单片IGBT芯片电流能力有限，因此为实现单个器件的大电流，通常需要并联一定数量的IGBT芯片来实现电流的提升，器件电流越大所需并联的IGBT芯片数越多。
随着器件电流的进一步增大，并联芯片数必然增加，而并联芯片或子单元之间的均流特性将随着并联芯片布局的增大将急剧恶化。这主要是因为并联芯片数量的增加，要实现所有芯片之间的并联均流必须使所有芯片的开关回路寄生电感参数尽量一致和栅极驱动信号路径寄生电感参数尽量一致，要保持一致性应尽可能做到栅极驱动路径到每一片芯片的距离一致，但芯片数量的增加急剧加大了一致性控制难度，当芯片并联数达到百级时，这已经不可能实现。而随着器件电流的增大，尤其在开关过程中，IGBT芯片的开通或关断不同步将导致电流的不均，因此器件很容易在开关过程由于部分芯片承受过大电流烧毁而导致整只器件失效，器件整体电流也就无法实现提升。
发明内容
因此，本发明提供一种IGBT集成器件，针对芯片数增加后并联均流实现困难，进而影响器件电流提升的难题，在器件内部每个子单元栅极输入或输出部分通过加入开关速率调节电路，实现开关过程的一致性控制，达到开关过程并联芯片电流均匀分布。
本发明提供的一种IGBT集成器件，包括：多个IGBT芯片、PCB电路板、开关速度调节电路，其中，
所述多个IGBT芯片并联组成多个子单元，各所述子单元中包含至少两个所述IGBT芯片；
所述多个子单元分别与所述PCB电路板并联连接；
所述开关速度调节电路设置于所述PCB电路板上，连接于所述子单元的栅极驱动电路输入口或输出口，通过所述开关速度调节电路调节各所述子单元的IGBT开关速度。
优选地，所述的IGBT集成器件，还包括：多个二极管芯片，所述多个二极管芯片设置在所述多个子单元上与所述多个IGBT芯片在电气上反向并联连接，用于实现反向的电流导通。
进一步地，所述开关速度调节电路，包括：微控制单元、栅极驱动放大电路、栅极驱动电阻、低压侧电容、高压侧电容，其中，
所述微控制单元接收外部控制电路的驱动控制信号，根据所述驱动控制信号输出用于调节驱动所述多个子单元动作的时间的开关速度调节信号；
所述栅极驱动放大电路对微控制单元输出的所述开关速度调节信号进行功率放大；
所述栅极驱动电阻连接于栅极驱动放大电路与所述子单元之间；
所述低压侧充电电容，用于给所述微控制单元供电；
所述高压侧充电电容，用于给所述IGBT集成器件供电。
进一步地，所述多个子单元与所述PCB电路板之间通过信号传输通道连接。
优选地，所述开关速度调节电路的个数与所述多个子单元的个数相同。
优选地，所述微控制单元还产生反馈信号给所述外部控制电路，所述外部控制电路根据所述反馈信号监测所述微控制单元的工作状态。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的IGBT集成器件，包括：多个IGBT芯片、PCB电路板、开关速度调节电路，其中，多个IGBT芯片并联组成多个子单元，子单元中包含至少两个IGBT芯片；多个子单元分别与PCB电路板并联连接；开关速度调节电路设置于PCB电路板上，连接于子单元的栅极驱动电路输入口或输出口，通过开关速度调节电路调节各子单元的IGBT开关速度，每个子单元对应一个开关速度调节电路，确保所有子单元的开关过程一致性，实现芯片的并联均流，避免部分芯片因承受过大电流烧毁，从而使器件电流提升并提高器件可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中IGBT集成器件的一个具体示例的组成图；
图2为本发明实施例中开关子单元与对应的开关速度调节电路信号流向图；
图3为本发明实施例中经过微控制单元的信号流向图；
图4为本发明实施例中栅极驱动放大电路的信号流向图；
图5为本发明实施例中低压侧充电电容示意图；
图6为本发明实施例中高压侧充电电容示意图。
附图标记：
1-IGBT芯片；2-二极管芯；3-子单元；
4-开关速度调节电路；5-信号传输通道；6-PCB电路板；
7-IGBT集成器件；8-经过开关速度调节电路处理后的栅极驱动信号；
41-微控制单元；42-栅极驱动放大电路；43-栅极驱动电阻；
44-低压充电侧电容；45-高压侧充电电容；
51-驱动控制信号；52-输出数字信号；
53-栅极驱动功率信号；511-栅极驱动数字信号；512-控制信号；
5111-开关速度调节信号；513-反馈信号；
531-输入的低压侧电源的电流；532-为输入的高压侧电源的电流；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种IGBT集成器件，如图1所示，包括：多个IGBT芯片1、PCB电路板6、开关速度调节电路4，其中，
多个IGBT芯片1并联组成多个子单元3，各子单元中包含至少两个IGBT芯片1；多个子单元3分别与PCB电路板6并联连接；开关速度调节电路4设置于PCB电路板6上，连接于子单元3的栅极驱动电路输入口或输出口，通过开关速度调节电路4调节各子单元的IGBT开关速度。多个子单元3并联组成IGBT集成器件7。
开关速度调节电路4的个数与多个子单元3的个数相同。如图2所示，为每个子单元3与对应的开关速度调节电路4信号流向图，驱动数字信号51为外部控制电路提供的控制信号，栅极驱动功率信号53为使IGBT开关所需的电流和电压，经过开关速度调节电路4处理后的栅极驱动信号8进入子单元3中的IGBT芯片1，52为输出数字信号，用于反馈驱动数字信号51经过开关速度调节电路4处理后的状态，传送给外部控制电路。
本发明实施中，多个IGBT芯片1组装成子单元3，每个子单元3可独立成为小规格电流的器件。为实现子单元3内部并联IGBT芯片1芯片的均流，采取对称布局形式。使每一个IGBT芯片1功率电流开关回路的寄生参数基本一致，从而实现开关过程中由于寄生参数引起的电压、电流尖峰保持一致；使IGBT芯片1布局对于开关速度调节电路4对称分布，即寄生电感参数一致，从而实现所有IGBT芯片1开关过程的同步性，避免部分IGBT芯片1过早开通或关断造成的电流分布不均。在子单元3内部，开关速度调节电路4从每个芯片引出汇总至一个输入(输出)口。子单元3内IGBT芯片1数较少，易于实现对称布局以实现电流均匀分布。
进一步地，如图3及图4所示，开关速度调节电路4，包括：微控制单元41、栅极驱动放大电路42、栅极驱动电阻43、低压侧充电电容44、高压侧充电电容45，其中，
微控制单元41，接收外部控制电路的驱动控制信号51，所述驱动控制信号51输出用于调节驱动多个子单元3动作的时间的开关速度调节信号；如图3所示，驱动控制信号51包括：栅极驱动数字信号511和控制信号512，根据所述栅极驱动数字信号511和控制信号512输出用于调节驱动所述多个子单元3动作的时间的开关速度调节信号5111。在一较佳实施例中，该微控制单元41可为单片机、FPGA、DSP或其它可编写程序的芯片组成。对于单只器件，内部所有的子单元3均接受到该栅极驱动数字信号511，该栅极驱动数字信号511由外部控制电路发出，经光纤引入器件再进入每一个子单元3的开关速度调节电路4。由于采用光纤传输，因此各子单元3之间的信号无时间差异，同步性好且抗干扰性强。
在一较佳的实施例中，微控制单元41还产生反馈信号513给外部控制电路，外部控制电路根据反馈信号513监测IGBT芯片1的工作状态，是处于开状态、关状态还是异常状态。每一个开关速度调节电路4均有独立的控制信号512和反馈信号513。
在一较佳的实施例中，多个子单元3与PCB电路板6之间通过信号传输通道5连接。信号从输入端口表面铜层(与输出端口在同一PCB电路板6上)引入，通过PCB电路板6表面铜层到达各子单元3的开关速度调节电路4，经开关速度调节电路4后再通过PCB电路板6表面铜层进入多芯片并联组成的子单元3，子单元3内每个IGBT芯片1通过在栅极焊盘的一根键合铝丝与PCB电路板6表面铜层连接实现连接。
栅极驱动放大电路42对开关速度调节信号5111进行功率放大；如图4所示，栅极驱动放大电路42可由PNP(421)和NPN(422)型三极管组成，在其他实施例中可由一对P型和N型MOSFET组成，分别对应栅极驱动脉冲信号的高、低电位时工作，经过栅极驱动放大电路42进行功率放大的信号进入对应的子单元3中的各个IGBT芯片1。
在一较佳的实施例中，开关速度调节信号5111可以经由一定的电阻、电容电路滤波后进入栅极驱动放大电路42，可以消除干扰，如电压电流尖峰，高频毛刺，避免误触发。
栅极驱动电阻43，连接于栅极驱动放大电路42与子单元3之间，起到限制电流的作用。
低压侧充电电容44，用于给微控制单元41供电；本发明实施例中低电压可为5V。如图5所示，531为输入的低压侧电源Vcc1电流，为开关速度调节电路4上的微控制单元41供电。
高压侧充电电容45，用于给IGBT集成器件供电，本发明实施例中低电压为15V。如图6所示，532为输入的高压侧电源Vcc2电流为IGBT芯片1开关时供电。
每个开关速度调节电路4均有低压侧电源电流531和高压侧电源电流532，对于一只器件，所有子单元3的低压侧电源电流531和高压侧电源电流532可以分别采自同一信号。
在一较佳的实施例中，IGBT集成器件还包括：多个二极管芯片2，多个二极管芯片2设置在多个子单元3上与多个IGBT芯片1在电气上反向并联连接，用于实现反向的电流导通。本发明实施例中，二极管芯片2与IGBT芯片1在电气上是反向并联，实现反向的电流导通路径。二极管只有正负两个电极，分别位于芯片上下表面。实际中二极管芯片2的负极与IGBT的集电极共同焊接于一块金属板上实现连接，二极管的正极(上表面)与IGBT的发射极(上表面)与同一金属板(或连接铜排)连接实现并联。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种IGBT集成器件，其特征在于，包括：PCB电路板、开关速度调节电路、多个IGBT芯片、多个二极管芯片，其中，
所述多个IGBT芯片并联组成多个子单元，各所述子单元中包含至少两个所述IGBT芯片；
所述多个子单元分别与所述PCB电路板并联连接；
所述开关速度调节电路设置于所述PCB电路板上，连接于所述子单元的栅极驱动电路输入口或输出口，通过所述开关速度调节电路调节各所述子单元的IGBT开关速度；
所述多个二极管芯片设置在所述多个子单元上与所述多个IGBT芯片在电气上反向并联连接，用于实现反向的电流导通。
2.根据权利要求1所述的IGBT集成器件，其特征在于，所述开关速度调节电路，包括：微控制单元、栅极驱动放大电路、栅极驱动电阻、低压侧电容、高压侧电容，其中，
所述微控制单元接收外部控制电路的驱动控制信号，根据所述驱动控制信号输出用于调节驱动所述多个子单元动作的时间的开关速度调节信号；
所述栅极驱动放大电路对所微控制单元输出的所述开关速度调节信号进行功率放大；
所述栅极驱动电阻连接于栅极驱动放大电路与所述子单元之间；
所述低压侧充电电容，用于给所述微控制单元供电；
所述高压侧充电电容，用于给所述IGBT集成器件供电。
3.根据权利要求1所述的IGBT集成器件，其特征在于，所述多个子单元与所述PCB电路板之间通过信号传输通道连接。
4.根据权利要求1所述的IGBT集成器件，其特征在于，所述开关速度调节电路的个数与所述多个子单元的个数相同。
5.根据权利要求2所述的IGBT集成器件，其特征在于，所述微控制单元还产生反馈信号给所述外部控制电路，所述外部控制电路根据所述反馈信号监测所述微控制单元的工作状态。
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