CN112640307A - 绝缘栅双极型晶体管的运行 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行IGBT(1、2)的方法，其中，确定对于IGBT(1、2)的运行来说所要求的最大的稳定阻断电压；确定第一迁移电荷，其在IGBT(1、2)的栅极(5)处的迁移引起电场强度，该电场强度能够实现IGBT(1、2)在稳定的阻断时能够接收最大的稳定阻断电压；确定第二迁移电荷，其在栅极(5)处的迁移引起电场强度，该电场强度导致动态雪崩，并且在电荷迁移持续时间(T3)期间在关断IGBT(1、2)时从栅极(5)迁移出迁移电荷，其大于第一迁移电荷并且小于第二迁移电荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行绝缘栅双极型晶体管(IGBT，英文：insulated-gatebipolar transistor)的方法和栅极驱动器。
背景技术
关断IGBT时在IGBT中出现高的电场强度，该电场强度能够导致动态雪崩。这能够导致自发性故障或导致IGBT的长期的退化。该问题在3.3kV或更高的范围中的高阻断电压时是特别突出的。在已知的现有技术中该问题例如由此解决，即降低IGBT的开关速度。开关速度的降低减少了IGBT的场强荷载，并且因此能够防止动态雪崩。然而，开关速度的降低增加了IGBT关断时的关断损失。
DE 10 2013 223 135 B3公开了利用用于将IGBT的栅极充电和放电的驱动信号和触发信号来驱动IGBT的电路布置和方法。触发信号告知第一时间点，该第一时间点在IGBT的关断过程期间处于IGBT的集电极-发射极电压的上升范围中。利用驱动信号在第一时间点或之后再次为栅极充电一定义时间段，以便避免瞬时雪崩振荡。
JP 2002 153043 A公开了具有功率半导体开关的变流器装置，其中，为了延长关断运行时间，在电流范围中利用晶体管转换到栅极电阻，以便抑制瞬时雪崩现象。
发明内容
本发明的目的在于，在IGBT关断时防止动态雪崩，而在此不必减少正常运行中的IGBT的开关速度。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1所述的特征的方法和具有权利要求6所述的特征的栅极驱动器来实现。
本发明的有利的设计方案是从属权利要求的内容。
在根据本发明的用于运行IGBT的方法中，首先确定对于IGBT的运行来说所要求的最大稳定阻断电压、最小迁移电荷和最大迁移电荷，其中，最小迁移电荷在IGBT的栅极处的迁移引起电场强度，该电场强度能够实现IGBT在稳定的阻断时能够接收最大稳定阻断电压，并且最大迁移电荷在栅极处的迁移引起电场强度，该电场强度导致动态雪崩。在关断IGBT时在电荷迁移持续时间期间从栅极迁移出迁移电荷，其大于第一迁移电荷并且小于第二迁移电荷。因此接下来，第一迁移电荷也被称为最小迁移电荷并且第二迁移电荷也被称为最大迁移电荷。第一迁移电荷和第二迁移电荷例如根据IGBT的已知的属性和/或实验性地通过尝试来确定和预先给定。其中，IGBT的已知的属性例如至少部分取自IGBT的数据表。
因此本发明提出，在关断IGBT时控制电荷数量以便防止动态雪崩，其中，该电荷数量取自IGBT的栅极。本发明充分利用的是，在关断时在IGBT中出现的电场强度取决于电荷，该电荷在关断时取自IGBT的栅极。本发明所基于的基本想法是，限制在关断时迁移自栅极的电荷数量，以便防止动态雪崩。对此，确定最小迁移电荷，该迁移电荷的迁移在栅极处导致动态雪崩，并且在在关断IGBT时从栅极迁移的迁移电荷位于最小和最大迁移电荷之间。由此在关断IGBT时防止了动态雪崩，而不必减少正常运行中的IGBT的开关速度，并且由此提高了正常运行中的IGBT的关断时的关断损失。
迁移电荷通过在电荷迁移持续时间期间在栅极与发射极之间施加关断电压而迁移。此外，在施加关断电压期间，测量在栅极中流动的栅极电流，从栅极电流中测定从栅极迁移的电荷，并且由此将电荷迁移持续时间的结束限定为，使得从栅极迁移的电荷达到迁移电荷。因此本发明提出，在关断IGBT时从栅极迁移的电荷通过在电荷迁移持续时间期间施加栅极-发射极电压来控制。从栅极迁移的电荷的测量能够实现将该电荷限制到迁移电荷，特别是当在电和迁移持续时间期间栅极中的栅极电流不恒定的时候。
在本发明的一个设计方案中，迁移电荷通过在电荷迁移持续时间期间在栅极中产生流动的恒定的栅极电流进行迁移。本发明的该设计方案能够实现将电荷迁移持续时间限定为迁移电荷和恒定的栅极电流的商。当栅极电流是已知的时，对此不需要测量栅极电流。
在本发明的另一个设计方案中，预先给定用于IGBT的栅极-发射极电压的阈值，并且当栅极-发射极电压达到阈值的时候中断来自栅极的电荷的迁移。本发明的该设计方案防止栅极-发射极电压在关断IGBT时变小并且导致IGBT的损坏。
在根据本发明的用于运行两个连接为半桥的IGBT的方法中，每个IGBT都利用上述根据本发明的方法或其设计方案中的一个运行。两个IGBT交替地相应地接通一个接通持续时间，其中，每两个依次的接通持续时间通过锁定持续时间相互分开，在锁定持续时间中两个IGBT都关断的。电荷迁移持续时间对于每个IGBT来说分为两个通过迁移暂停相互分开的电荷迁移持续部分时间，其中，第一电荷迁移持续部分时间在IGBT关断时开始并且在另一个IGBT接通之前结束，并且第二电荷迁移持续部分时间在第一电荷迁移持续部分时间结束之后并且在另一个IGBT接通之前开始并且在IGBT接通时结束。
前述方法考虑到，根据米勒电容与IGBT中的栅极-发射极电容之间的比例和在应用根据本发明的方法在关断IGBT时在驱控电路的负驱动电压能够造成的是，在能够从栅极迁移设置的迁移电荷之前，栅极-发射极电压已经达到负驱动电压。在接通其它IGBT时关断的IGBT然后接收电压。通过米勒电容能够因此造成高欧姆驱控的、关断的IGBT的寄生接通。在前述的方法中其由此避免，即中断来自栅极的电荷迁移，并且在中断后在锁定持续时间到期之前、然而在正常的关断过程完成之后再次接收并且栅极以该方法保持在低于IGBT的阈值电压的低的电势。
在前述的根据本发明的方法和其设计方案中，电荷迁移持续时间例如在一百纳秒和十微秒之间。这样的电荷迁移持续时间通常能够实现来自IGBT的栅极的电荷的迁移，其在最小和最大迁移电荷之间。
用于执行根据本发明的方法的IGBT的栅极驱动器设计用于，交替地接通IGBT一个接通持续时间和关断一个关断持续时间，并且在每个关断持续时间中从IGBT的栅极迁移走迁移电荷。
栅极驱动器包括能驱控的关断：半导体开关，其能接通用于施加在IGBT的栅极与发射极之间的关断电压；连接在关断半导体开关与栅极之间或连接在IGBT的栅极-发射极路径下游的关断电阻；和驱控逻辑器器，其设计用于在开关电荷迁移持续时间接通关断半导体。栅极驱动器还包括用于测量在栅极中流动的栅极电流的电流测量设备，其中，驱控逻辑器器设计用于从栅极电流中测定从栅极迁移的电荷，并且电荷迁移持续时间的结束由此限定为，使得从栅极迁移的电荷达到迁移电荷。附加地，栅极驱动器能够具有与关断半导体开关和关断电阻并联连接的附加关断半导体开关和附加关断电阻的串联电路，其中，附加关断电阻大于关断电阻，并且附加关断半导体开关能接通用于施加在栅极与发射极之间的附加关断电压。
根据本发明的栅极驱动器能够借助于关断半导体开关和关断电阻以及用于驱控关断半导体开关的驱控逻辑器器来实现从IGBT的栅极的电荷迁移，以便将用于从栅极的电荷迁移的关断半导体开关接通并且在电荷迁移结束时关断。测量栅极电流的电流装置能够实现通过栅极电流关于时间的积分确定从栅极迁移的电荷以及通过在达到迁移电荷时电荷迁移的结束将电荷迁移限制在设置的迁移电荷。通过与关断半导体开关和关断电阻并联连接的附加关断半导体开关和大于关断电阻的附加关断电阻的串联电路能够有利地稳定IGBT的关断行为，通过在IGBT的关断持续时间期间接通附加关断半导体开关。在此，通过选择足够大的附加关断电阻能够实现的是，通过接通附加关断半导体开关从IGBT的栅极仅迁移很少的附加电荷，从而主要通过接通关断半导体开关从栅极迁移出迁移电荷。
根据本发明的栅极驱动器的一个设计方案设置了能接通用于在栅极中产生的恒定的栅极电流的能驱控的关断电流源和驱控逻辑器器，驱控逻辑器器设计用于在电荷迁移持续时间接通关断电流源。根据本发明的栅极驱动器的该设计方案能够实现通过来自迁移电荷和恒定的栅极电流的商限定电荷迁移持续时间，从而在已知的恒定的栅极电流中特别地不要求用于测量栅极电流的电流测量设备。
附图说明
结合下述联系附图对实施例的说明，清楚和明白易懂地阐述了本发明的上述特性、特征和优点以及实现的方式和方法。在此示出：
图1是IGBT和用于IGBT的栅极驱动器的第一实施例的电路图，
图2是图1中示出的IGBT和栅极驱动器的开关状态的在时间上的变化，
图3是IGBT和用于IGBT的栅极驱动器的第二实施例的电路图，
图4是图3中示出的IGBT和栅极驱动器的开关状态的在时间上的变化，
图5是IGBT和用于IGBT的栅极驱动器的第三实施例的电路图，
图6是具有两个IGBT和用于每个IGBT的栅极驱动器的半桥电路的电路图，
图7是图6中示出的IGBT和栅极驱动器的开关状态的在时间上的变化。
相互对应的部分在附图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了IGBT1和用于IGBT1的栅极驱动器3的第一实施例的电路图。
IGBT1具有栅极5、集电极7和发射极9。
栅极驱动器3具有接通半导体开关11、关断半导体开关13、接通电阻15、关断电阻17、驱控逻辑器器19、可选的电流测量设备21、接通电压源23和关断电压源25。
接通半导体开关11经由接通电阻15与IGBT1的栅极5连接。关断半导体开关13经由关断电阻17与IGBT1的栅极5连接。接通半导体开关11和关断半导体开关13能由驱控逻辑器器19驱控。接通半导体开关11、接通电阻15、关断半导体开关13和关断电阻17连接成半桥，该半桥具有桥支路、第一桥臂和第二桥臂，其中，桥支路与IGBT1的栅极5连接，第一桥臂中布置有接通半导体开关11和接通电阻15，第二桥臂中布置有关断半导体开关13和关断电阻17。电流测量设备21布置在半桥的桥支路中。
接通电压源23产生用于接通半导体开关11的接通电源电压。关断电压源25生成用于关断半导体开关13的关断电源电压。
在图1中示出的实施例中，接通半导体开关11和关断半导体开关13相应地构造为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，英文：metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor)，更确切地构造为正常阻断的n沟道MOSFET，其栅极端子与驱控逻辑器器19连接。接通半导体开关11的源极端子与接通电阻15连接。关断半导体开关13的漏极端子与关断电阻17连接。接通电压源23的第一极与接通半导体开关11的漏极端子连接。关断电压源25的第一极与关断半导体开关13的源极端子连接。接通电压源23的第二极与关断电压源25的第二极相互连接并且与IGBT1的发射极9连接。因此，接通电压源23和关断电压源25的第二极位于共同的第一电势。接通电压源23的第一极位于第二电势，第二电势大于第一电势。关断电压源25的第一极位于第三电势，第三电势小于第一电势。因此，接通电源电压是正的，关断电源电压是负的。
图2示出了根据本发明的用于根据IGBT1的开关状态S1、接通半导体开关11的开关状态S2和关断半导体开关13的开关状态S3随时间t的变化来运行具有图1所示的栅极驱动器3的IGBT1的方法。每个开关状态S1、S2、S3交替地采取代表接通状态的值一和代表关断状态的值零。
在该方法中，首先确定对于IGBT1的运行来说所要求的最大稳定阻断电压、最小迁移电荷和最大迁移电荷，其中，最小迁移电荷在IGBT1的栅极5处的迁移引起电场强度，该电场强度能够实现IGBT1在稳定的阻断时能够接收最大稳定阻断电压，并且最大迁移电荷在栅极5处的迁移引起电场强度，该电场强度导致动态雪崩。
IGBT1交替地在接通持续时间T1接通，并且在关断持续时间T2关断。在每个接通持续时间T1期间，接通半导体开关11被接通并且关断半导体开关13被关断。在每个关断持续时间T2期间，接通半导体开关11被关断，并且关断半导体开关13首先被接通一个电荷迁移持续时间T3并且在电荷迁移持续时间T3到期之后被关断。电荷迁移持续时间T3被限定为，为IGBT1的栅极5在电荷迁移持续时间T3期间迁移之前确定的大于最小迁移电荷并且小于最大迁移电荷的电荷，即只要从栅极5迁移的电荷达到迁移电荷就，关断半导体开关13被关断。对此，例如利用电流测量设备21持续检测在栅极中流动的栅极电流，并且借助于驱控逻辑器19，通过在接通关断半导体开关13之后在时间上对栅极电流进行积分，从检测到的栅极电流中测定从栅极迁移的电荷。替代地，利用关断半导体开关13在栅极5与发射极9之间经由关断电阻17生成关断电压，该关断电压产生恒定的栅极电流，并且通过迁移电荷与恒定的栅极电流的商来限定电荷迁移持续时间T3。
图3示出了IGBT1和用于IGBT1的栅极驱动器3的第二实施例的电路图。栅极驱动器3与图1所示的实施例不同之处仅在于与关断半导体开关13和关断电阻17并联的、附加关断半导体开关27和附加关断电阻29的串联电路。在此，附加关断电阻29大于关断电阻17。附加关断半导体开关27构造为正常阻断的n沟道MOSFET。附加关断半导体开关27的栅极端子与驱控逻辑器19连接，从而使附加关断半导体开关27能通过驱控逻辑器19驱控。附加关断半导体开关27的漏极端子经由附加关断电阻29与IGBT1的栅极5连接。附加关断半导体开关27的源极端子与关断电压源25的第一极连接。
图4示出了根据本发明的用于根据IGBT1的开关状态S1、接通半导体开关11的开关状态S2、关断半导体开关13的开关状态S3和附加关断半导体开关27的开关状态S4的在时间上的变化来运行具有图3所示的栅极驱动器3的IGBT1的方法。
再次确定对于IGBT1的运行来说所要求的最大稳定阻断电压、最小迁移电荷和最大迁移电荷，其中，最小迁移电荷在IGBT1的栅极5处的迁移引起电场强度，该电场强度能够实现IGBT1在稳定的阻断时能够接收最大稳定阻断电压，并且最大迁移电荷在栅极5处的迁移引起电场强度，该电场强度导致动态雪崩。
IGBT1交替地在接通持续时间T1被接通并且在关断持续时间T2被关断。在每个接通持续时间T1期间，接通半导体开关11被接通并且关断半导体开关13和附加关断半导体开关27被关断。在每个关断持续时间T2期间，接通半导体开关11被关断，并且关断半导体开关13首先被接通一个电荷迁移持续时间T3并且在电荷迁移持续时间T3到期之后被关断，并且附加关断半导体开关27被接通。电荷迁移持续时间T3由此被限定为，在关断持续时间T2期间从IGBT1的栅极5迁移大于最小迁移电荷并且小于最大迁移电荷的电荷。与根据图2所述的根据本发明的方法的实施例不同的是，在该情况下通过在整个关断持续时间T2期间接通附加关断半导体开关27从栅极5迁移电荷。然而，在足够大的附加关断电阻29的情况下，在关断持续时间T2期间在关断半导体开关13关断之后从栅极5迁移的电荷很少，从而使迁移的电荷要么能够被完全忽略，要么电荷迁移持续时间T3的测定基于减去该迁移的电荷的最大迁移电荷。通过在关断持续时间T2期间将附加关断半导体开关27接通，能够有利地稳定IGBT1的关断行为。
图5示出了IGBT1和用于IGBT1的栅极驱动器3的第三实施例的电路图。栅极驱动器3与图1所示的实施例不同之处在于，代替关断半导体开关13和关断电阻17的串联电路，该栅极驱动器具有用于生成恒定的栅极电流的关断电流源31。关断电流源31类似于根据图2所述的根据本发明的方法的实施例中的关断半导体开关13，在IGBT1的每个关断持续时间T2期间都接通一个电荷迁移持续时间T3。通过迁移电荷和恒定的栅极电流的商限定电荷迁移持续时间T3。在使接通半导体开关11接通的接通持续时间T1和剩余的关断持续时间T2期间关闭关断电流源31。在图5所示的栅极驱动器3的实施例中，通过串联能通过驱控逻辑器19驱控的双极型晶体管33与电流源电阻35来实现关断电流源31。然而，也能够实现能通过驱控逻辑器19驱控的关断电流源31的其它实施方案。
图6示出了具有两个IGBT1、2、用于第一IGBT1的第一栅极驱动器3和用于第二IGBT2的第二栅极驱动器4的电路图。每个IGBT1、2都布置在半桥的桥臂中。桥臂通过电容器37相互连接。与每个IGBT1、2都并联续流二极管39、40。每个栅极驱动器3、4都像图1或图5所示的实施例的栅极驱动器3那样设计。
图7示出了根据本发明的用于根据第一IGBT1的开关状态S1、第一栅极驱动器3的接通半导体开关11的开关状态S2、第一栅极驱动器3的关断半导体开关13的开关状态S3、第二IGBT2的开关状态S5、第二栅极驱动器4的接通半导体开关11的开关状态S6和第二栅极驱动器4的关断半导体开关13的开关状态S7的在时间上的变化来运行两个根据图6连接为半桥的IGBT1、2的方法。
为每个IGBT1、2确定对于其运行来说所要求的最大稳定阻断电压、最小迁移电荷和最大迁移电荷，其中，最小迁移电荷在IGBT1、2的栅极5处的迁移引起电场强度，该电场强度能够实现IGBT1在稳定的阻断时能够接收最大稳定阻断电压，并且最大迁移电荷在栅极5处的迁移引起电场强度，该电场强度导致动态雪崩。
两个IGBT1、2交替地接通相应的一个接通持续时间T1，其中，每两个依次的接通持续时间T1通过锁定持续时间T4相互分开，在该锁定持续时间中关断两个IGBT1、2。
在每个IGBT1、2的每个关断持续时间T2期间都类似于图2所述的方法那样在电荷迁移持续时间T3期间从IGBT、21的栅极5迁移出迁移电荷，该迁移电荷大于为其确定的最小迁移电荷并且小于为其确定的最大迁移电荷。然而在此，电荷迁移持续时间T3分为两个通过迁移暂停T5相互分开的电荷迁移持续部分时间T31、T32，其中，第一电荷迁移持续部分时间T31在IGBT1、2关断时开始并且在另一个IGBT2、1接通之前结束，并且第二电荷迁移持续部分时间T32在第一电荷迁移持续部分时间T31结束之后并且在另一个所述IGBT2、1接通之前开始，并且在IGBT1、2接通时结束。
当栅极驱动器3、4相应地像图3所示的栅极驱动器3那样实施时，根据图7描述的方法能够类似于根据图4描述的方法来修改。
尽管结合优选的实施例在细节上详细地阐述并描述了本发明，但本发明并不被所公开的实例限制，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下本领域的技术人员能够由此推导出其他变体方案。
Claims (8)
1.一种用于运行IGBT(1、2)的方法，其中，
-确定对于所述IGBT(1、2)的运行来说所要求的最大稳定阻断电压，
-确定第一迁移电荷，所述第一迁移电荷在所述IGBT(1、2)的栅极(5)处的迁移引起电场强度，该电场强度能够实现所述IGBT(1、2)在稳定的阻断时能够接受所述最大稳定阻断电压，
-确定第二迁移电荷，所述第二迁移电荷在所述栅极(5)处的迁移引起电场强度，该电场强度导致动态雪崩，并且
-在电荷迁移持续时间(T3)期间在关断所述IGBT(1、2)时从所述栅极(5)迁移出迁移电荷，该迁移电荷大于所述第一迁移电荷并且小于所述第二迁移电荷，其中，
-该迁移电荷通过在所述电荷迁移持续时间(T3)期间在所述IGBT(1、2)的所述栅极(5)与发射极(9)之间施加关断电压而迁移，并且
-在施加所述关断电压期间测量在所述栅极(5)中流动的栅极电流，从所述栅极电流测定从所述栅极(5)迁移的电荷并且将所述电荷迁移持续时间(T3)的结束定义为，从所述栅极(5)迁移的电荷达到所述迁移电荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述迁移电荷通过在所述电荷迁移持续时间(T3)期间在所述栅极(5)中产生流动的恒定的栅极电流进行迁移。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，预定所述IGBT(1、
2)的栅极-发射极电压的阈值，并且当所述栅极-发射极电压达到所述阈值时，中断从所述栅极(5)的电荷的迁移。
4.一种用于运行连接为半桥的两个IGBT(1、2)的方法，其中，
-每个IGBT(1、2)都利用根据前述权利要求中任一项所述的方法运行，
-两个IGBT(1、2)交替地分别接通一接通持续时间(T1)，其中，每两个依次的所述接通持续时间(T1)通过锁定持续时间(T4)相互分开，并且
-所述电荷迁移持续时间(T3)对于每个IGBT(1、2)分为两个通过迁移暂停(T5)相互分开的电荷迁移持续部分时间(T31、T32)，其中，第一电荷迁移持续部分时间(T31)随着IGBT(1、2)的关断而开始并且在另一个IGBT(2、1)接通之前结束，并且第二电荷迁移持续部分时间(T32)在所述第一电荷迁移持续部分时间(T31)结束之后并且在所述另一个IGBT(2、1)接通之前开始并且在所述IGBT(1、2)接通时结束。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电荷迁移持续时间(T3)在一百纳秒与十微秒之间。
6.一种用于IGBT(1、2)的栅极驱动器(3、4)，用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述栅极驱动器(3、4)设计用于将所述IGBT(1、2)交替地接通一接通持续时间(T1)和关断一关断持续时间(T2)，并且在每个所述关断持续时间(T2)从所述IGBT(1、2)的栅极(5)迁移出迁移电荷，所述栅极驱动器(3、4)包括
-能驱控的关断半导体开关(13)，所述关断半导体开关能接通用于施加在所述IGBT(1、2)的所述栅极(5)与发射极(9)之间的关断电压，
-连接在所述关断半导体开关(13)与所述栅极(5)之间或连接在所述IGBT(1、2)的栅极-发射极路径下游的关断电阻(17),
-驱控逻辑器器(19)，所述驱控逻辑器器设计用于在所述电荷迁移持续时间(T3)接通所述关断半导体开关(13)，和
-用于测量在所述栅极(5)中流动的栅极电流的电流测量设备(21)，其中，
-所述驱控逻辑器器(19)设计用于，从所述栅极电流测定从所述栅极(5)迁移的电荷，并且所述电荷迁移持续时间(T3)的结束定义为，从所述栅极(5)迁移的电荷达到所述迁移电荷。
7.根据权利要求6所述的栅极驱动器(3、4)，具有与所述关断半导体开关(13)和所述关断电阻(17)并联连接的、附加关断半导体开关(27)和附加关断电阻(29)的串联电路，其中，所述附加关断电阻(29)大于所述关断电阻(17)，并且所述附加关断半导体开关(27)为了施加附加关断电压而能在所述栅极(5)与所述发射极(9)之间接通。
8.根据权利要求6或7所述的栅极驱动器(3、4)，具有能驱控的关断电流源(31)，所述关断电流源能被接通以用于在所述栅极(5)中产生恒定的栅极电流，其中，所述驱控逻辑器器(19)设计用于在所述电荷迁移持续时间(T3)接通所述关断电流源(31)。
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