CN110291719A - 驱控功率半导体器件的控制装置和驱控功率半导体器件的方法 - Google Patents

驱控功率半导体器件的控制装置和驱控功率半导体器件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于驱控功率半导体器件(1)的控制装置(2)，其中，功率半导体器件(1)具有至少两个电压受控制的功率半导体组件(V1、V2)，其是电并联的并且各自具有控制端子(3)，其中，控制装置(2)包括至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)，借助于驱动元件能调节在功率半导体组件(V1、V2))的控制端子(3)处的相应电压(UG1、UG2)，其中，控制装置(2)具有测量单元(5)，该测量单元设计用于检测流过功率半导体组件(V1、V2)的相应电流(IV1、IV2)，并且至少一个驱动元件设计为，根据相应电流(IV1、IV2)来设定相应的电压(UG1、UG2)的高低和/或时间变化曲线。

Description

驱控功率半导体器件的控制装置和驱控功率半导体器件的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱控功率半导体器件的控制装置，其中，功率半导体器件具有至少两个电压受控制的功率半导体组件，它们是电并联的并且各自具有控制端子。控制装置包括至少一个驱动元件，借助于该驱动元件可设定施加在功率半导体组件的控制端子处的相应电压。此外，本发明涉及一种具有这种控制装置的功率半导体器件。最后，本发明涉及一种用于驱控功率半导体器件的方法。
背景技术
在本文中，关注的是功率半导体器件，其可以设计为例如逆变器或整流器。这种功率半导体器件例如可用于三相电机的运行中。功率半导体器件可以包括电压受控制的功率半导体组件，其例如设计为IGBT或MOSFET。为了提高功率半导体器件的性能，在现有技术中公开了在功率半导体器件中使用多个功率半导体组件并将它们并联。为了全负荷地利用功率半导体组件而同时不会使并联的功率半导体组件过载，必要的是，在导通阶段期间流过相应的功率半导体组件的电流在功率半导体组件之间相同地分布或是对称的。
此外，从现有技术中已知不同的方法，来实现并联功率半导体组件的对称化。例如，可以使用不同的阻抗来进行对称化。同样，已知并联连接的功率半导体组件的所谓的降额设计。另外，需要注意将控制装置或驱动电路和馈电线设计得尽可能对称。根据功率半导体组件的类型，还必须考虑良好的热耦合或去耦。
另外，从现有技术中已知，并联的功率半导体组件的各个开关脉冲设置有彼此之间的时移。这尤其意味着一个或多个功率半导体组件比连接中的其他组件更早接通，并且因此承载更多电力。这同样适用于功率半导体器件的关断过程。
为此目的，DE 10 2011 006 788 A1描述了一种用于设施的保护装置的电路装置，其具有带有可变电流和/或电压参数的电能源。该电路装置由至少两个并联的保险通道构成，保险通道分别包括一个电流测量装置和至少一个开关。保险通道的电阻值以如下的方式定义，即在保险通道之间对称地分配总电流。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决方案，该解决方案展示了如何以简单的方式更可靠地运行具有至少两个并联连接的功率半导体组件的功率半导体器件。
该目的根据本发明通过具有相应独立权利要求的特征的控制装置、功率半导体器件和方法来实现。本发明的有利改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的控制装置用于驱控功率半导体器件。在此，功率半导体器件具有至少两个电压受控制的功率半导体组件，它们是电并联的并且分别具有控制端子。控制装置包括至少一个驱动元件，通过该驱动元件能设定在功率半导体器件的控制端子处的相应电压。此外，控制装置具有测量单元，该测量单元设计用于检测流过功率半导体器件的相应电流。此外，至少一个驱动元件设计用于根据相应电流来设定相应电压的大小和/或时间变化曲线。此外，至少一个驱动元件设计用于，当接通和/或断开功率半导体组件时，根据相应电流来设定施加到控制端子处的相应电压的时间变化。
控制装置可以用于功率半导体器件，该功率半导体器件例如用于逆变器或整流器中。利用控制装置，可以控制功率半导体器件，其具有至少两个电并联的功率半导体组件。功率半导体组件分别具有可以被施加电压的控制端子。该控制端子也可以称为栅极或栅极端子。功率半导体组件尤其可以设计为IGBT、JFET或MOSFET。这些功率半导体组件在功率半导体器件内用作可控开关。控制装置具有至少一个驱动元件，该驱动元件与功率半导体组件的相应控制端子电连接。驱动元件也可以称为驱动器或栅极单元。使用驱动元件，可以输出电压并将其施加到功率半导体组件的相应控制端子处。
根据本发明的一个基本方面，现在提出，控制装置具有测量单元，借助于该测量单元可以检测流过功率半导体组件的相应电流。例如，测量单元可以具有用于每个功率半导体组件的电流传感器。还可以设置有分流器或电阻器，在该分流器或电阻器处测量电压降以确定电流。因此，可以检测在导通阶段期间流过相应功率半导体器件的电流。至少一个驱动元件设计为，根据流过功率半导体组件的相应电流来设定施加到功率半导体组件的控制端子处的相应电压。
在此，利用驱动元件一方面可以调节电压的高低。借助于驱动元件，还可以可变地输出高低不同的电压或不同的电压。因此可以相对自由地选择电压。特别是并未提出，电压不能仅设定为两个或三个固定值。可选择地或附加地，可以借助于驱动元件来控制电压的时间曲线。以这种方式，可以根据当前流过功率半导体组件的电流来调节相应功率半导体组件处的电压。因此，例如，可以实现流过功率半导体器件的功率半导体组件的相应电流基本相同。这允许流过功率半导体组件的电流对称化。以这种方式，可以避免功率半导体组件的过载。总之，因此可以实现功率半导体器件的可靠运行。
另外，驱动器装置设计为根据相应电流来设定施加到控制端子的相应电压的时间变化。在此提出，在接通和/或断开时设定相应电压的时间变化。因此，在接通时和/或接通时可以实现动态并行化。可以为电压的变化提供不同的时间变化曲线。因此，一个功率半导体组件可以比另一个更快地导通。这也适用于功率半导体组件的关断。例如，这可以通过调节电压边沿的斜度来实现。优选地，这适用于补偿不同的漏电感。关于施加到控制端子的相应电压，可以调节电压的高低和/或时间变化曲线和/或开始时间点和/或结束时间点。
优选地，至少一个驱动元件设计用于调节相应的电压，使得相应的电流基本相等。通过在功率半导体组件的控制端子处所施加的电压，可以控制功率半导体组件的电阻。在此，控制端子处的相对高的电压使得电阻低。相对低的电压确保了高电阻。以这种方式，可以相应地影响流过各个功率半导体组件的电流。以这种方式，可以防止相应功率半导体组件的过载或损坏。
根据一个实施方式，至少一个驱动元件设计用于根据相应电流来设定相应的开始时间点和结束时间点，在开始时间点与结束时间点之间有电压施加在控制端子处。换句话说，并联的功率半导体组件的各个开关脉冲可以彼此偏移。因此，一个或多个功率半导体组件可以比其他功率半导体组件更早地被施加电压。这同样适用于结束时间点，从该结束时间点开始不再有电压施加到相应的控制端子处。以这种方式，可以控制功率半导体组件内的功率分布。
此外，有利的是，至少一个驱动元件设计成基于在功率模块先前的运行期间所设定的电压来设定相应电压。在功率半导体器件的运行期间施加到功率半导体组件的相应电压可以存储在控制装置的相应的存储器中。这使得可以基于先前的设定来确定特定的开关特性，即电压分布、电压变化曲线，电压高低和/或开关时间点。此外，可以存储在关于电压的特定设置下流过功率半导体组件的电流。因此，可以提供一种自学习系统。
在一个实施方式中，控制装置具有一个驱动元件，对于每个功率半导体组件来说，该驱动元件具有输出端和用于接收描述相应电流的测量值的至少一个输入端。根据该实施方式，控制装置具有唯一的驱动元件。在此，驱动元件的每个输出端都与功率半导体组件的控制端子连接。此外，驱动元件可以从测量装置接收描述通过功率半导体组件的相应电流的测量值。借助于驱动元件，然后可以将测量值相互比较，从而确定相应的功率半导体组件的电压。
根据一个可选实施方式，控制装置对于每个功率半导体组件都具有一个驱动元件，其中，驱动元件中的每一个都具有用于功率半导体组件的输出端。在该实施方式中，每个功率半导体组件都被配属有其自己的驱动元件。每个驱动元件可以在输出端为功率半导体组件提供电压。另外，每个驱动元件具有输入端，以接收描述经过功率半导体组件的电流的测量值。在此特别地提出，控制装置具有至少一个通信单元，用于在驱动元件之间传输相应的测量值。例如，各个驱动元件可以通过通信单元连接以进行数据传输。在这种情况下，通过电缆或数据线，光学地或通过无线电链路进行数据传输。
在此可以提出，将流过功率半导体组件的相应电流与阈值进行比较。如果超过该阈值，则各个驱动元件可以彼此协调，并且对利用各个驱动元件输出的相应电压进行调整，使得功率半导体器件之间的电流分布再次相同。
根据另一个实施方式，控制装置具有中央计算单元，用于接收描述相应的电流的测量值；以及具有至少一个通信单元，用于将相应的测量值传输给驱动元件。因此，还可以设置有更高级的或中央的计算单元，通过计算单元可以接收相应的测量值。然后，如上所述，这些值可以通过通信单元传输到相应的驱动元件。
原则上，功率半导体组件的电压可以利用至少一个驱动元件根据流过功率半导体组件的电流来确定。如果通过功率半导体组件的电流太高，则可以降低电压。如果通过功率半导体组件的电流太低，则可以升高电压。在驱动元件中可以存储有特征曲线或者表格，其描述了与电流相关的待输出电压。
如上所述，控制装置可用于控制并联的功率半导体组件。这些功率半导体组件也可称为芯片。此外，控制装置可用于控制并联的功率半导体模块或逆变器。在功率模块中，各个芯片通常是并联的并且向外引出，使得各个功率半导体模块如功率半导体组件一样还具有相同的接口。例如，功率半导体模块可以如单个的功率半导体一样具有栅极端子、集电极端子和/或发射极端子。逆变器又由各个功率半导体和/或功率半导体模块以及诸如电容器、电源等的附加器件组成。
根据本发明的功率半导体器件包括至少两个电压受控制的功率半导体组件和根据本发明的用于驱控至少两个电压受控制的功率半导体组件的控制装置。优选地，功率半导体组件是整流器或逆变器的一部分。至少两个功率半导体组件优选地设计为IGBT、JFET或MOSFET。
根据本发明的方法用于驱控功率半导体器件，其中，功率半导体器件具有至少两个电压受控制的功率半导体组件，它们是电并联的并且各自具有控制端子。在该方法中，能够借助于至少一个驱动元件来设定在功率半导体器件的控制端子处的相应电压。此外提出，借助于测量单元来检测流过功率半导体组件的相应电流，并且借助于至少一个驱动元件根据相应电流来设定相应电压的高低和/或时间变化曲线。此外提出，在接通和/或断开功率半导体组件时，借助于至少一个驱动元件根据相应电流来设定施加到控制端子处的相应电压的时间变化。
参考根据本发明的控制装置提出的优选实施方式及其优点相应地适用于根据本发明的功率半导体器件和根据本发明的方法。
附图说明
现在将参考优选实施方式并参考附图描述本发明。图中示出：
图1示出了根据本发明的实施方式的功率半导体器件，其具有两个电压受控制的功率半导体组件和控制装置；
图2示出了流过功率半导体组件的相应电流的时间变化曲线；
图3示出了关于在功率半导体组件的控制端子处施加的电流的相应电压；
图4示出了根据另一实施方式的、关于在功率半导体组件的控制端子处施加的电流的相应电压；
图5示出了根据另一实施方式的功率半导体器件；和
图6示出了根据另一实施方式的功率半导体器件。
在附图中，相同和功能相同的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1以示意图示出了根据本发明的一个实施方式的功率半导体器件1。功率半导体器件1可以是整流器或逆变器的一部分。功率半导体器件1包括第一功率半导体组件V1和第二功率半导体组件V2。功率半导体组件V1、V2在本例中设计为MOSFET。功率半导体组件V1、V2是电并联的。在当前情况下，总电流IV被分配到两个功率半导体组件V1、V2上。因此，电流IV1流过第一功率半导体组件V1，电流IV2流过第二功率半导体组件V2。在功率半导体器件1的运行中，希望电流IV1和IV2基本相等。
此外，功率半导体器件1包括用于控制功率半导体组件V1、V2的控制装置2。控制装置2包括至少一个驱动元件GU1、GU2，利用该至少一个驱动元件可以将相应的电压UG1、UG2施加到功率半导体组件V1、V2的相应的控制端子3上。控制端子3对应于MOSFET的栅极端子。在本示例中，功率半导体组件V1、V2中的每一个都配属有一个驱动元件GU1、GU2。在此，第一功率半导体组件V1配属有第一驱动元件GU1，其中，第一驱动元件GU1的输出端4与第一功率半导体组件V1的控制端子3连接。因此，电压UG1可以施加到第一功率半导体组件V1的控制端子3上。类似地，利用第二驱动元件GU2可以将电压UG2施加到第二功率半导体组件V2的控制端子3上。
此外，控制装置2包括测量单元5，通过该测量单元可以确定流过功率半导体组件V1、V2的相应电流IV1、IV2。在此，测量单元5包括两个电流传感器6，其中，电流传感器6分别被配属给功率半导体组件V1、V2。相应的电流传感器6连接到驱动元件GU1、GU2的相应输入端7。因此，驱动元件GU1、GU2分别接收描述电流IV1、IV2的测量值。
此外，控制装置2包括通信单元8，通过该通信单元连接驱动元件GU1、GU2以进行数据传输。这使得可以在驱动元件GU1和GU2之间交换测量值。根据测量值或流过功率半导体组件V1、V2的电流IV1和IV2，然后可以调节利用驱动元件GU1和GU2输出的电压UG1和UG2。
图2关于时间t示出了流过功率半导体组件V1和V2的相应电流IV1和IV2。图2的图表示电流I与时间t的关联。这里可以看出，流过第一功率半导体组件V1的电流IV1随时间t增大，并且流过第二功率半导体组件V2的电流IV2随时间t减小。电流IV1和IV2的变化的原因可能是外部影响，例如升温、以及由于各个功率半导体组件V1、V2的参数波动。
可以借助于驱动元件GU1、GU2基于测量值来检测流过功率半导体组件V1、V2的电流IV1、IV2的分布的这种变化。根据相应的电流IV1、IV2，来调节由驱动元件GU1、GU2输出的电压UG1和UG2。这在图3中示出。在当前情况下，第二功率半导体组件V2处的电压UG2随时间t升高。因此，可以减小第二功率半导体组件V2内的电阻。以相同的方式，第一功率半导体组件V1处的电压UG1降低。因此，可以增大第一功率半导体组件V1内的电阻。总之，因此可以实现：流过功率半导体组件V1和V2的电流IV1、IV2基本相等。
图4示出了根据另一实施方式的电压UG1和UG2的变化曲线。在此，电压UG1和UG2在开始时间点ts1和ts2方面是不同的，从开始时间点开始有电压施加在控制端子3上。在当前情况下，首先在开始时间点ts1将电压UG1施加到控制端子3。随后，在开始时间点ts2将电压UG2施加到控制端子3上。以相同的方式，可以调节结束时间点，从该结束时间点开始各个电压UG1和UG2不再被施加到控制端子3上。另外，在接通时或施加时的时间变化方面，电压UG1和UG2是不同的。在当前情况下，电压UG1和UG2当接通时具有不同斜度的直边沿。施加有电压UG2的第二功率半导体部件V2在当前情况下比施加有电压UG1的第一功率半导体部件V1更快地接通。因此，第二功率半导体组件V2动态地承担了比第一功率半导体组件V1更多的电流。
图5示出了根据另一实施方式的功率半导体器件1。在这种情况下，控制装置2还包括中央计算单元9。该中央计算单元9连接到相应的电流传感器6以进行数据传输。因此，计算单元9可以接收由电流传感器6提供的各个测量值。这些测量值可以通过相应的通信单元8传输到驱动元件GU1、GU2。
图6示出了根据另一实施方式的功率半导体器件1。在这种情况下，控制装置2具有唯一的驱动元件GU。在当前情况下，驱动元件GU具有第一输出端4和第二输出端4’，第一输出端4连接到第一功率半导体组件V1，第二输出端4’连接到第二功率半导体组件V2。此外，驱动元件GU具有相应的输入端7和7’，它们连接到相应的电流传感器6。
原则上可以提出，功率半导体器件1具有多个并联的功率半导体组件V1、V2。利用相应的驱动元件GU、GU1、GU2，可以根据电流IV1、IV2来调节相应电压UG1、UG2的高低/或时间变化曲线。通过调节电压高低，可以补偿功率半导体组件V1、V2的不同的导通特性。在此还可以提出，用于将各个电压UG1、UG2施加到功率半导体组件V1、V2处的接通脉冲ts1，ts2和/或关断脉冲在时间上偏移。另外，电压UG1、UG2的时间变化可以根据电流IV1、IV2来调节。以这种方式，可以补偿不同的泄漏电感。另外，该方法可以以如下的方式使用，即从来自先前脉冲的电流信息获得具体的开关特性，即电压分布、电压高低和/或开关时间。因此，可以提供自学习的方法。

Claims (11)

1.一种用于驱控功率半导体器件(1)的控制装置(2)，其中，所述功率半导体器件(1)具有至少两个电压受控制的功率半导体组件(V1、V2)，所述功率半导体组件是电并联的，并且各自具有控制端子(3)，其中，所述控制装置(2)包括至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)，借助于所述至少一个驱动元件能设定在所述功率半导体组件(V1、V2)的所述控制端子(3)处的相应电压(UG1、UG2)，其中，所述控制装置(2)具有测量单元(5)，所述测量单元设计用于检测流过相应的所述功率半导体组件(V1、V2)的相应电流(IV1、IV2)，并且所述至少一个驱动元件设计用于，根据所述相应电流(IV1、IV2)来设定所述相应电压(UG1、UG2)的高低和/或时间变化曲线，其特征在于，所述至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)设计用于，在接通和/或断开所述功率半导体组件(V1、V2)时，根据所述相应电流(IV1、IV2)来设定施加在所述控制端子(3)处的所述相应电压(UG1、UG2)的时间变化。
2.根据权利要求1所述的控制装置(2)，其中，所述至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)设计用于设定所述相应电压(UG1、UG2)，使得所述相应电流(IV1、IV2)基本相等。
3.根据权利要求1或2所述的控制装置(2)，其中，所述至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)设计用于根据所述相应电流(IV1、IV2)来设定相应的起始时间点(ts1、ts2)和结束时间点，在所述起始时间点与所述结束时间点之间在所述控制端子(3)上施加有电压(UG1、UG2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置(2)，其中，所述至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)设计用于基于在功率模块(1)的先前运行期间所设定的电压来设定所述相应电压(UG1、UG2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制装置(2)，其中，所述控制装置(2)具有一个驱动元件(GU)，所述一个驱动元件具有用于每个所述功率半导体组件(V1、V2)的输出端(4、4’)和用于接收描述所述相应电流(IV1、IV2)的测量值的至少一个输入端(7、7’)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的控制装置(2)，所述控制装置(2)对于每个所述功率半导体组件(V1、V2)都具有一个驱动元件(GU1、GU2)，其中，所述驱动元件(GU1、GU2)中的每一个都具有用于所述功率半导体组件(V1、V2)的输出端(4)。
7.根据权利要求6所述的控制装置(2)，其中，所述驱动元件(GU1、GU2)中的每一个都具有用于接收测量值的输入端(7)，所述测量值描述经过所述功率半导体组件(V1、V2)的电流(IV1、IV2)，并且其中，所述控制装置(2)具有至少一个通信单元(8)，所述至少一个通信单元用于在所述驱动元件(GU1、GU2)之间传输相应的测量值。
8.根据权利要求6所述的控制装置(2)，其中，所述控制装置(2)具有：中央计算单元(9)，用于接收描述所述相应电流(IV1、IV2)的测量值；以及至少一个通信单元(8)，用于将相应的测量值传输给所述驱动元件(GU1、GU2)。
9.一种功率半导体器件(1)，具有至少两个电压受控制的功率半导体组件(V1、V2)和根据前述权利要求中任一项所述的控制装置(2)，所述控制装置用于驱控至少两个电压受控制的所述功率半导体组件(V1、V2)。
10.根据权利要求9所述的功率半导体器件(1)，其中，至少两个所述功率半导体组件(V1、V2)设计为IGBT或MOSFET。
11.一种用于驱控功率半导体器件(1)的方法，其中，所述功率半导体器件(1)具有至少两个电压受控制的功率半导体组件(V1、V2)，所述功率半导体组件是电并联的并且各自具有控制端子(3)，其中，借助于至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)能设定在所述功率半导体组件(V1、V2)的所述控制端子(3)处的相应电压(UG1、UG2)，其中，借助测量单元(5)检测流过相应的所述功率半导体组件(V1、V2)的相应电流(IV1、IV2)，并且，借助所述至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)并根据所述相应电流(IV1、IV2)来设定所述相应电压(UG1、UG2)的大小和/或时间变化曲线，其特征在于，在接通和/或断开所述功率半导体组件(V1、V2)时，借助于所述至少一个驱动元件(GU、GU1、GU2)并根据所述相应电流(IV1、IV2)来设定施加在所述控制端子(3)处的所述相应电压(UG1、UG2)的时间变化。
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