CN110192344B - 用于驱控双极可开关功率半导体器件的控制装置、半导体模块和方法 - Google Patents

用于驱控双极可开关功率半导体器件的控制装置、半导体模块和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于驱控双极可开关功率半导体器件(1)的控制装置(2)，其中，控制装置(2)设计用于将电压(U)施加到功率半导体器件(1)的栅极端子上并且为了关断功率半导体器件(U)将电压(U)从第一电压值(UB+)降低到第二电压值(UB‑)，其中，控制装置(2)设计用于，为了关断功率半导体器件(1)首先将电压(U)从第一电压值(UB+)降低到去饱和值(Usat)并且随后将电压(U)从去饱和值(Usat)降低到第二电压值(UB‑)，其中，去饱和值(Usat)大于功率半导体器件(1)的夹断电压(UP)。

Description

用于驱控双极可开关功率半导体器件的控制装置、半导体模 块和方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱控双极可开关功率半导体器件的控制装置，该控制装置设计用于将电压施加到功率半导体器件的栅极端子并且为了关断功率半导体器件而将电压从第一电压值降低到第二电压值。此外，本发明涉及一种具有这种控制装置的半导体模块。最后，本发明涉及一种用于驱控双极可开关功率半导体器件的方法。
背景技术
在此所关注的是双极可开关或可断开的功率半导体器件。这种双极可开关功率半导体器件尤其可以是IGBT。当关断双极可开关功率半导体器件时，对于电流流动来说所需的电荷载流子被移除。在关断常规和反向导通的IGBT时，由于电荷载流子的移除而产生高电场强度。由于这种场强度负载，不能以任意速度来关断功率半导体器件。此外，负载端子处的电压上升速率主要受到负载要求的限制。功率半导体器件中的载流子浓度和开关速度都影响功率半导体器件的关断损耗。切换速度(受到要保持的安全工作区域的限制)被设置得尽可能地高，以使得损耗最小化。这通常通过适当选择栅极放电电流的强度来实现。
接通的功率半导体器件的栅极被加载具有第一电压值的电压。当功率半导体器件关断时，栅极通过电阻器放电到具有第二电压值的电压。因此，电压从第一电压值减小到第二电压值。在这种情况下，从具有高电荷载流子浓度的导电状态到断电状态的转变伴随着相对较高的关断损耗。
DE 39 05 645 AI公开了一种利用MOS控制输入来改善功率半导体开关的过电流断开性能的驱控方法。此外，DE 102 06 392 A1公开了一种用于优化非闭锁的、可关断功率半导体开关的关断方法和装置。最后，DE 10 2015 220 594 A1公开了一种半导体驱动单元和使用该半导体驱动单元的功率转换器。
发明内容
本发明的目的是提供一种如何可以更有效地关断所述类型的双极可开关功率半导体器件的解决方案。
根据本发明的控制装置用于驱控双极可开关功率半导体器件。在这种情况下，控制装置设计用于将电压施加到功率半导体器件的栅极端子并且为了关断功率半导体器件而将电压从第一电压值降低到第二电压值。此外，控制装置设计用于，为了关断功率半导体器件首先将电压从第一电压值降低到去饱和值，然后将电压从去饱和值降低到第二电压值，其中，去饱和值大于功率半导体器件的夹断电压。
借助于控制装置，可以驱控双极可开关或可断开的功率半导体器件。例如，控制设备可以是驱控电路的一部分。功率半导体器件可以是绝缘栅双极晶体管(Insulated-GateBipolar Transistor，简称IGBT)。控制装置电连接到功率半导体器件的栅电极或栅极端子。在此可以提出，控制装置具有栅极电阻器，该栅极电阻器连接到功率半导体器件的栅极端子。借助于控制装置，可以提供具有不同电压值的电压或将其施加到栅极端子。例如，可以将具有第一电压值的电压施加到栅极端子以接通功率半导体器件。当具有第一电压值的电压被施加到栅极端子时，特别提出，功率半导体器件的栅极-发射极电压高于阈值。在这种情况下，功率半导体器件处于导通状态。当要关断功率半导体器件时，借助于控制装置将电压从第一电压值减小到第二电压值。
根据本发明的一个基本方面提出，借助于控制装置首先将栅极端子处的电压从第一电压值降低到去饱和值，然后降低到第二电压值。为了切断功率半导体器件，不直接将栅极端子处的电压或栅极-发射极电压降低到第二电压值，而是首先将电压调节到去饱和值。在此，去饱和值小于第一电压值并且大于第二电压值。换句话说，可以在实际关断操作之前不久在栅极端子处提供去饱和脉冲。该去饱和脉冲将功率半导体器件的栅极或栅极端子放电到略高于功率半导体器件的夹断电压的电压。该夹断电压也可以称为Pinch-off电压。如果夹断电压施加到功率半导体器件，则功率半导体器件的沟道受到限制。通过将栅极端子处的电压首先降低到去饱和值，可以在功率半导体器件内降低载流子浓度。因此，在功率半导体器件关断期间必须从功率半导体器件中去除较少的电荷。因此，可以减少在关闭功率半导体器件时的关断损耗，因此可以更有效地执行关断过程。
控制装置具有：用于将具有第一电压值的电压施加到栅极端子的第一开关；以及用于将具有第二电压值的电压施加到栅极端子处的第二开关。在此，可以被彼此独立地驱控第一开关和第二开关。第一开关用于将栅极端子与具有第一电压值的电压连接。同样，第二开关用于将栅极端子与具有第二电压值的电压连接。利用相应的开关，例如可以接通栅极端子和电压源之间的电连接，该电压源提供具有第一电压值或第二电压值的电压。还可以提出，栅极端子通过开关连接到电压沉(Spannungssenke)。
控制装置设计用于周期性地驱控第一开关和/或第二开关，并通过规定用于驱控第一开关和/或第二开关的占空比来将电压调整到去饱和值。换句话说，可以以脉冲宽度调制的方式提供栅极端子处的电压。因此，可以通过脉冲宽度调制来实现栅极-发射极电压的降低。通过合适的脉冲间歇比，将功率半导体器件的栅极端子处的电压设定为去饱和值。这实现了对栅极端子处的电压的可靠调节。
另外，控制装置具有用于测量功率半导体器件的集电极端处的集电极电流的测量单元，并且控制单元设计成基于集电极电流确定去饱和值。如已经描述的，可以基于功率半导体器件的夹断电压(或英语Pinch-off电压)来确定去饱和值。可以根据集电极电流和栅极-发射极电压的关系确定夹断电压。在此特别提出，在关断功率半导体器件之前测量集电极电流，并且确定去饱和值或者具有去饱和值的电压，使得其非常接近夹断电压或者尽可能小地超过夹断电压。因此，可以可靠地确定去饱和值。
优选地，控制装置设计用于，将具有去饱和值的电压在栅极端子上施加一特定脉冲持续时间。特别地提出，具有去饱和值的电压保持一段时间或者被施加到栅极端子一段时间，直到功率半导体器件中的电荷载流子减少。当具有去饱和值的电压施加到功率半导体器件时，由负载电流直接将过量电荷去除。同时电荷载流子重新组合，其中，这发生得慢得多。同时，导通电压也提高了。在此，可以预先确定具有去饱和值的电压施加在功率半导体器件上的脉冲持续时间。例如，可以基于先前执行的测量来确定脉冲持续时间。因此，可以实现有效的关断过程。
根据另一实施方案，控制装置具有测量单元，用于在关断期间测量功率半导体器件的栅极端子与发射极端子之间的栅极-发射极电压，并且控制装置设计用于根据栅极-发射极电压来确定脉冲持续时间。因此可以提出，在关断过程中连续测量栅极-发射极电压。栅极-发射极电压描述了借助于控制装置施加到功率半导体器件的栅极端子的电压。因此，可以连续地确定借助于控制装置输出的电压或栅极-发射极电压，并且因此可以精确地设定脉冲持续时间。
在一个实施方案中，控制装置设计用于，为了关断功率半导体器件而断开第一开关，然后将第二开关闭合第一时长，然后将第二开关断开第二时长，随后闭合第二开关。例如，第一开关可以在第一时间点闭合，同时第二开关可以被断开。在第一时长之后，可以再次断开第二个开关。第二个开关在第二时长内保持断开。在此，第一时长和第二时长被选择为，使得对于栅极连接处的电压在总体上得到去饱和值。尤其地，第一时长和第二时长的总和对应于脉冲持续时间。在此，第二时长表示高阻驱控，或者表示切换到高阻栅极电阻上。在去饱和脉冲之后，第二开关随后可以再次在第二时间点断开，以使栅极完全放电。因此，借助于第一和第二开关，可以在栅极端子处控制电压。
根据另一实施方案，控制装置具有一个第三开关，其用于施加具有去饱和值的电压，并且控制装置设计用于，在第一时间点断开第一开关并闭合第三开关，以及在第二时间点打开第三开关并闭合第二开关。当功率半导体器件处于导通状态时，第一开关闭合。为了关断功率半导体器件，第一开关在第一时间断开，同时第三开关闭合。因此，具有去饱和值的电压被施加到栅极端子。在降低半导体器件中的电荷载流子之后，第三开关断开，第二开关闭合。因此，具有第二电压值的电压被施加到栅极端子。因此，可以降低用于关断功率半导体器件的开关损耗。
在另一实施方案中，控制装置具有模拟放大器，用于提供具有第一电压值、去饱和值和第二电压值的电压。模拟放大器可以设计为模拟放大器末级，通过它可以连续地调节栅极端子的电压。利用这种类型的末级，可以设置理论上大幅优化的栅极电压路径。因此，可以实现对要控制的功率半导体器件的电流和/或电压的瞬时调节。
根据本发明的半导体模块包括双极可开关功率半导体器件和根据本发明的控制装置。在此，根据本发明的控制装置用于驱控双极可开关功率半导体器件。功率半导体器件尤其可以是绝缘栅双极晶体管或绝缘栅极端子双极晶体管。因此，功率半导体器件可以设计为IGBT。半导体模块可以是例如变流器。在此，特别提出的是，在变流器的控制单元中考虑脉冲持续时间，在该脉冲持续时间期间具有去饱和值的电压被施加到功率半导体器件，因为这用作附加的切断延迟。
根据本发明的方法用于驱控双极可开关功率半导体器件。在这种情况下，借助于控制装置将电压施加到功率半导体器件的栅极端子，并且为了关断功率半导体器件而将电压从第一电压值降低到第二电压值。在此提出，为了关断功率半导体器件，首先将电压从第一电压值降低到去饱和值，随后将电压从去饱和值降低到第二电压值，其中，去饱和值大于功率半导体器件的夹断电压。
参照根据本发明的控制装置描述的优点和进一步的改进方案同样适用于根据本发明的半导体模块和本发明的方法。
附图说明
现在将基于优选实施例并参考附图更详细地解释本发明。图中示出：
图1示出了在关断根据现有技术的功率半导体器件时，功率半导体器件的栅极放电电阻器前的栅极端子处的电压的时间曲线；
图2示出了在关断根据本发明的一个实施例的功率半导体器件时，功率半导体器件的栅极端子处的电压的时间曲线；
图3示出了夹断电压和电压的去饱和值的曲线；
图4示出了根据第一实施例的半导体模块，其包括控制装置和功率半导体器件；
图5示出了根据图4的控制装置的开关的在时间上的开关曲线；
图6示出了根据另一实施例的具有控制装置的半导体模块；
图7示出了第一实施例中的根据图6的控制装置的开关的开关曲线；
图8示出了第二实施例中的根据图6的控制装置的开关的开关曲线；以及
图9示出了根据另一实施例的具有控制装置的半导体模块。
在附图中，相同且功能相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了电压U关于时间t的曲线，该电压在关断功率半导体器件1的期间被施加到功率半导体器件1的栅极端子。电压U描述可能的栅极放电电阻器之前的电压，该栅极放电电阻器通常布置在功率半导体器件1的栅极端子和控制装置2之间。在此，电压U的曲线(如图1所示)描述了根据现有技术的关断过程。在功率半导体器件1接通时，具有第一电压值UB+的电压U被施加到栅极端子。第一电压值UB+可以是正电压。在功率半导体器件1关断时，电压U从第一电压值UB+减小到第二电压值UB-。第二电压值UB-例如可以被赋予负电压。在此，从具有高电荷载流子浓度的导电状态到断电状态的直接转变伴随有相对高的关断损耗。
相比较而言，图2示出了在根据本发明的一个实施例的关断过程时电压U关于时间t的曲线。在此，在栅极端子处的电压U首先从第一电压值UB+降低到去饱和值Usat，然后降低到第二电压值UB-。在此，具有去饱和值Usat的电压U在栅极端子处施加一段预定的脉冲持续时间tp。脉冲持续时间tp在第一时间点t1开始并在第二时间点t2结束。通过首先将在栅极端子处的电压U降低到去饱和值Usat，可以在功率半导体器件1的实际关断之前减少载流子浓度。由此，在关断过程中仅需从功率半导体器件1去除较少的电荷。因此，返还了关断损耗。
在此，去饱和值Usat被确定为，其稍微高于功率半导体器件1的与负载电流相关的夹断电压UP。该夹断电压UP以英语也可以称为Pinch-off电压。图3示出了夹断电压UP和去饱和值Usat的曲线图。图3中的视图示出了作为集电极电流IC的函数的栅极-发射极电压UGE。在此，去饱和值Usat可以具有特定的大小，其至少对应于最大预期的夹断电压UP。通过在关断之前测量集电极电流IC，也可以将去饱和值Usat设置得非常接近夹断电压UP。然而，这需要可调节的电压源或电压沉。
图4示出了根据第一实施例的半导体模块3。半导体模块3包括控制装置2和功率半导体器件1。功率半导体器件1可以设计为传统的或反向导通的IGBT。在此，示例性地示出了用于功率半导体器件1的反向导通IGBT的等效电路图。在该实施例中，控制装置2包括第一开关S1，在中间连接有第一电阻R1的情况下功率半导体器件1可以经由该第一开关被接到具有第一电压值UB+的电压U上。此外，控制装置2包括第二开关S2，在中间连接有第二电阻R2的情况下功率半导体器件1可以经由该第二开关被接到具有第二电压值UB-的电压U上。此外，控制装置2包括第三开关S3，在中间连接有第三电阻R3的情况下，功率半导体器件1可以经由该第三开关被接到具有去饱和值Usat的电压U上。
图5示出了根据图4的控制装置2的开关S1、S2和S3关于时间t的开关曲线。为了关断功率半导体器件1，第一开关S1在第一时间点t1断开。同时，第三开关S3闭合。因此，可以在一段脉冲持续时间tp期间引入去饱和脉冲。在功率半导体器件1中的电荷载流子减少之后，通过在第二时间点t2单独激活第二开关S2来关断功率半导体器件1，该功率半导体器件具有降低的电荷载流子浓度并进而降低的开关损耗。
图6示出了根据另一实施例的半导体模块3。这里，控制装置2仅包括第一开关S1和第二开关S2，其结合根据图4的开关装置2进行了描述。在此，不需要去饱和值Usat的另一电压电平。如下所述，栅极-发射极电压UGE的降低可以通过使栅极的短时的、不完全放电来实现。
图7根据第一实施例示出了根据图6的控制装置2的开关S1和S2关于时间t的开关曲线。在此，通过停用第一开关S1并短暂地激活第二开关S2，使栅极电压U达到去饱和值Usat。在第一时间点t1，第一开关S1断开，第二开关S2闭合第一时长td1。第一时长td1可以是固定的，也可以通过测量栅极-发射极电压来确定。此外，可以检测集电极-发射极电压的与其相关的升高。在达到去饱和值Usat之后，第一开关S1和第二开关S2都被停用第二时长td2，因此驱控以高阻的方式接通。或者，也可以通过切换到高阻的栅极电阻来设置较小的栅极电流。在施加了一段脉冲持续时间tp的去饱和值Usat之后，在第二时间点t2的开关过程之后，通过激活第二开关S2来继续进行开关过程。
图8根据第二实施例示出了根据图6的控制装置2的开关S1和S2关于时间t的开关曲线。在此，通过脉冲宽度调制来实现栅极-发射极电压UGE。通过适当的脉冲间歇比来设定在功率半导体器件1的栅极端子处的去饱和值Usat。在功率半导体器件1的栅极利用第二开关S2放电到第二电压值UB-之前，利用脉冲宽度调制通过驱控第一开关S1和第二开关S2来引入去饱和脉冲。在此，利用第一开关S1和第二开关S2的相应占空比来设定去饱和值Usat。
图9示出了根据另一实施例的半导体模块3。在这种情况下，控制设备2包括模拟放大器4或模拟放大器末级。放大器4包括第一晶体管T1，在中间连接有电阻器R的情况下，可以通过该第一晶体管将具有第一电压值UB+的电压U施加给功率半导体器件1。此外，放大器4包括第二晶体管T2，通过该第二晶体管可以将具有第二电压值UB-的电压U施加给功率半导体器件1。借助于放大器4可以连续调节电压U。因此，结合图2说明的电压U的曲线可以应用于功率半导体器件1的栅极端子。
通过使用控制装置2或通过切断行为，可以在关断时减小功率半导体器件1的场强度负载，因为通过去饱和值Usat降低了功率半导体器件1中的电荷载流子浓度。在使用鲁棒性限制或安全工作范围的情况下(其尤其描述了通过更高的栅极放电电流在不超过场强限制的情况下产生的更高的开关速度)，可以显著降低开关损耗。特别是在功率半导体器件1的主端子处的电压的上升速率不受应用限制时，可以利用这一点。所描述的半导体模块3尤其可以是变流器的一部分。因此，通过降低开关损耗可以提高变流器的效率。

Claims (6)

1.一种控制装置(2)，用于驱控双极可开关功率半导体器件(1)，其中，所述控制装置(2)设计用于将电压(U)施加到所述功率半导体器件(1)的栅极端子上并且为了关断所述功率半导体器件而将所述电压(U)从第一电压值(UB+)降低到第二电压值(UB-)，其中，所述控制装置(2)设计用于为了关断所述功率半导体器件(1)，将所述电压(U)从所述第一电压值(UB+)首先降低到去饱和值(Usat)，并且随后将所述电压(U)从所述去饱和值(Usat)降低到所述第二电压值(UB-)，其中，所述去饱和值(Usat)大于所述功率半导体器件(1)的夹断电压(UP)，其中，所述控制装置(2)具有用于将具有所述第一电压值(UB+)的电压施加到所述栅极端子的第一开关(S1)和用于将具有所述第二电压值(UB-)的电压施加到所述栅极端子的第二开关(S2)，其特征在于，所述控制装置(2)设计用于周期性地驱控所述第一开关(S1)和/或所述第二开关(S2)，并且通过规定用于驱控所述第一开关(S1)和/或所述第二开关(S2)的占空比来将所述电压(U)调整成所述去饱和值(Usat)，所述控制装置(2)具有用于测量所述功率半导体器件的集电极端子处的集电极电流(IC)的测量单元，并且所述控制装置(2)设计用于根据所述集电极电流(IC)来确定所述去饱和值(Usat)。
2.根据权利要求1所述的控制装置(2)，其中，所述控制装置(2)设计用于将具有所述去饱和值(Usat)的所述电压(U)在所述栅极端子上施加一个预定的脉冲持续时间(tp)。
3.根据权利要求2所述的控制装置(2)，其中，所述控制装置(2)具有测量单元，所述测量单元用于在关断期间测量所述功率半导体器件(1)的所述栅极端子与发射极端子之间的栅极-发射极电压(UGE)，并且所述控制装置(2)设计用于根据所述栅极-发射极电压(UGE)确定所述脉冲持续时间。
4.一种半导体模块(3)，具有双极可开关功率半导体器件(1)和用于驱控所述双极可开关功率半导体器件(1)的根据权利要求1至3中任一项所述的控制装置(2)。
5.根据权利要求4所述的半导体模块(3)，其中，所述双极可开关功率半导体器件(1)是绝缘栅双极晶体管。
6.一种用于驱控双极可开关功率半导体器件(1)的方法，其中，借助于控制装置(2)，将电压(U)施加到功率半导体器件(1)的栅极端子上，并且为了关断所述功率半导体器件将所述电压(U)从第一电压值(UB+)降低到第二电压值(UB-)，其中，为了关断所述功率半导体器件(1)，首先将所述电压(U)从所述第一电压值(UB+)降低到去饱和值(Usat)并且随后将所述电压(U)从所述去饱和值(Usat)降低到所述第二电压值(UB-)，其中，所述去饱和值(Usat)大于所述功率半导体器件(1)的夹断电压(UP)，其中，所述控制装置(2)具有用于将具有所述第一电压值(UB+)的电压施加到所述栅极端子的第一开关(S1)和用于将具有所述第二电压值(UB-)的电压施加到所述栅极端子的第二开关(S2)，其特征在于，周期性地驱控所述第一开关(S1)和/或所述第二开关(S2)并且通过规定用于驱控所述第一开关(S1)和/或所述第二开关(S2)的占空比来将所述电压(U)调整到所述去饱和值(Usat)，并且借助所述控制装置(2)的测量单元来测量所述功率半导体器件的集电极端子处的集电极电流(IC)，并且由所述控制装置(2)根据所述集电极电流(IC)来确定所述去饱和值(Usat)。
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