CN110912380A - 一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，所述方法包括，在功率半导体元件开通或关断时，降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分。该方法通过降低功率半导体元件开通关断过程中的动态电流以及电压的积分，从而实现改善开通瞬态损耗以及关断瞬态损耗，增加了功率半导体元件使用的可靠性与安全性。

Description

一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法
技术领域
本发明属于电子技术领域，特别涉及一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法。
背景技术
集成门极换流关断晶闸管(IGCT)因为高关断电流能力、高阻断能力、通态损耗低、运行可靠性高的优势而可以在现有模块化多电平(MMC)应用中直接进行应用，其工作频率在百至几百赫兹范围，恰是弥补了IGCT开关频率应用的短板，由于IGCT在拓扑中处于一定频率下的开通和关断状态切换，损耗主要由快速的开通和关断过程产生，所以需要根据器件极限能力对IGCT在开通和关断过程中的损耗进行定向优化。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，该平衡方法通用性强、改善了开通瞬态损耗以及关断瞬态损耗。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，采用以下技术方案：
一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，所述方法包括，
在功率半导体元件开通或关断时，降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分。
进一步，所述降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分包括，
在功率半导体元件开通或关断时，缩短开通和/或关断动态过程的时间。
进一步，所述缩短开通动态过程的时间包括以下一种或多种方式：
增大功率半导体元件的发射效率、增大触发电流。
进一步，所述缩短关断动态过程的时间包括以下一种或多种方式：
减小功率半导体元件厚度、减弱功率半导体元件的阳极发射效率、减小功率半导体元件少子寿命。
进一步，所述增大功率半导体元件的发射效率还包括，
所述发射效率小于或等于预设效率。
进一步，所述减弱功率半导体元件的阳极发射效率还包括以下一种或多种协调方式，
控制功率半导体元件的阳极浓度、控制结深、控制阳极短路结构。
进一步，所述降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分还包括，
在功率半导体元件开通或关断时，降低开通或关断动态过程的电压或电流峰值。
进一步，在缩短功率半导体元件开通或关断动态过程的时间之前与缩短功率半导体元件开通或关断动态过程的时间时，所述功率半导体元件的缓冲回路保持相同。
进一步，所述功率半导体元件包括集成门极换流晶闸管(IGCT)。
本发明的平衡方法通过缩短功率半导体元件开通或关断动态过程的时间降低功率半导体元件开通关断过程中的动态电流以及电压的积分，从而实现改善开通瞬态损耗以及关断瞬态损耗，使得功率半导体元件在使用时更加优化，增加了功率半导体元件使用的可靠性与安全性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了本发明实施例中的一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。
如图1所示，本发明实施例中公开了一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，所述方法包括，在功率半导体元件开通或关断时，降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分。其中，所述降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分包括，在功率半导体元件开通或关断时，缩短开通或关断动态过程的时间，和/或降低开通或关断动态过程的电压、电流峰值。所述功率半导体元件在开通时，由驱动电路给予瞬间的强电流脉冲进行触发，关断时由驱动电路对功率半导体元件的门阴极瞬间施加反向电压实现电流由阴极向门极的转移并关断，因此器件损耗主要由开通瞬态损耗、通态损耗以及关断瞬态损耗组成，实际使用功率半导体元件时的整体损耗还包括外部的多种缓冲回路产生的能量损耗，故整体的损耗组分较为复杂。
进一步，所述功率半导体元件的损耗主要为开通和关断瞬态过程的损耗，因此，，采用缩短晶闸管开通或关断动态过程的时间，降低所述功率半导体元件开通和/或关断瞬态过程的损耗
具体的，所述缩短功率半导体元件开通动态过程的时间包括以下一种或多种方式：增大功率半导体元件的发射效率、增大触发电流。其中，所述增大功率半导体元件的发射效率，使得功率半导体元件在短时间内能够形成擎住条件，进一步使得电压下降至开通状态，从而达到缩短开通动态过程的时间的目的。但是过大的发射效率会引起门极换流晶闸管关断过程的时间的延长，因此，所述增大门极换流晶闸管发射效率后的发射效率小于等于预设效率。对功率半导体元件的发射效率进行优化，使得功率半导体元件在开通过程中的时间缩短，从而降低了开通动态过程中电流-电压积分，达到降低开通瞬时过程损耗地目的。
所述增大触发电流，所述功率半导体元件在开通时，由驱动电路给予瞬间的强电流脉冲进行触发，从而增大驱动电路的强触发电流，使得门极换流晶闸管的NPN和/或PNP放大系数之和在较短的时间之内达到擎住条件，以导通门极换流晶闸管，从而达到缩短开通动态过程的时间的目的。对功率半导体元件的触发电流进行优化，使得功率半导体元件在开通过程中的时间缩短，从而降低了开通动态过程中电流-电压积分，达到降低开通瞬时过程损耗的目的。
进一步具体的，所述缩短功率半导体元件关断动态过程的时间包括以下一种或多种方式：减小功率半导体元件厚度、减弱功率半导体元件的阳极发射效率、减小功率半导体元件少子寿命。其中，所述减小功率半导体元件厚度，使得功率半导体元件在关断时需要去除的过量电荷量，令功率半导体元件快速关断，且也进一步优化了功率半导体元件的开通动态过程。对功率半导体元件的厚度进行优化，使得功率半导体元件在关断过程中的时间缩短，从而降低了关断动态过程中电流-电压积分，达到降低关断瞬时过程损耗的目的。
所述减弱功率半导体元件的阳极发射效率，以减小功率半导体元件在关断时阳极附近扫除的电荷总量，进一步减小电流的拖尾时间，令功率半导体元件快速关断。进一步，过度减弱阳极发射效率可能会减弱功率半导体元件的开通特性，功率半导体元件的难以迅速形成擎住条件，从而引起开通过程的损耗增加，因此，所述减弱功率半导体元件的阳极发射效率还包括以下一种或多种协调方式，控制功率半导体元件的阳极浓度、结深、阳极短路结构。因此，在不增加功率半导体元件的开通损耗的前提下，对功率半导体元件的阳极发射效率进行优化，使得门极换流晶闸管在关断过程中的时间缩短，从而降低了关断动态过程中电流-电压积分，达到降低关断瞬时过程损耗的目的。
所述减小功率半导体元件少子寿命，以减小导通时器件体内的等离子体浓度，从而功率半导体元件在关断时快速扫除功率半导体元件内的过量电荷，令功率半导体元件快速关断。进一步，减小功率半导体元件的少子寿命，会导致通态电压增加，由于通态损耗可忽略不计，因此，可以在较大的范围内允许对少子寿命进行调节。对功率半导体元件的少子寿命进行优化，使得门极换流晶闸管在关断过程中的时间缩短，从而降低了关断动态过程中电流-电压积分，达到降低关断瞬时过程损耗的目的。
本实施例中，所述平衡方法还包括平衡功率半导体元件的阴极发射效率与阳极发射效率，过大的阴极发射效率会引起门极换流晶闸管关断过程的时间的延长，且过度减弱阳极发射效率也会减弱功率半导体元件的开通特性，导致开通时间延长，因此，通过平衡开通好热关断的损耗特性，在增大功率半导体元件的阴极发射效率时，不会造成延长功率半导体的关断过程时间，在减弱阳极发射效率时不会造成减弱开通特性，造成功率半导体元件难以迅速形成擎住条件，从而引起功率半导体元件开通过程的损耗增加。
本实施例中，所述平衡方法还包括避免功率半导体元件厚度过度减小，所述功率半导体元件在厚度过度减小时，将会造成静态阻断特性降低，从而影响关断时间。
本实施例中，所述功率半导体元件包括集成门极换流晶闸管(IGCT)。
本发明实施例中以基于模块化多电平(MMC)应用的集成门极换流晶闸管的(IGCT)为例进行示例性说明，基于上述平衡方法，对所述集成门极换流晶闸管的(IGCT)损耗进行优化，所述最优的功率半导体元件损耗的条件包括以下一种或多种条件：最小的器件厚度、最小的少子寿命、最大的触发电流、最优的功率半导体元件发射效率。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述方法包括，
在功率半导体元件开通或关断时，降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分。
2.根据权利要求1所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分包括，
在功率半导体元件开通或关断时，缩短开通和/或关断动态过程的时间。
3.根据权利要求2所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述缩短开通动态过程的时间包括以下一种或多种方式：
增大功率半导体元件的发射效率、增大触发电流。
4.根据权利要求2所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述缩短关断动态过程的时间包括以下一种或多种方式：
减小功率半导体元件厚度、减弱功率半导体元件的阳极发射效率、减小功率半导体元件少子寿命。
5.根据权利要求3所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述增大功率半导体元件的发射效率还包括，
所述发射效率小于或等于预设效率。
6.根据权利要求4所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述减弱功率半导体元件的阳极发射效率还包括以下一种或多种协调方式，
控制功率半导体元件的阳极浓度、控制结深、控制阳极短路结构。
7.根据权利要求2所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述降低开通或关断动态过程中的动态电流与电压积分还包括，
在功率半导体元件开通或关断时，降低开通或关断动态过程的电压或电流峰值。
8.根据权利要求2所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，在缩短功率半导体元件开通或关断动态过程的时间之前与缩短功率半导体元件开通或关断动态过程的时间时，所述功率半导体元件的缓冲回路保持相同。
9.根据权利要求1所述的功率半导体元件开通关断损耗的平衡方法，其特征在于，所述功率半导体元件包括集成门极换流晶闸管(IGCT)。
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