CN201577025U - 用于功率半导体器件的控制器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于功率半导体器件的控制器件。用于控制高电流的系统(300)提供有用于功率半导体器件(302)的控制器件(301)。控制器件(301)，特别是IGCT门极驱动器，设计成用于控制功率半导体器件(302)的电流流动并且包括用于连接控制器件(301)到功率半导体器件(302)的连接(303)。用于门极驱动器通过连接门极驱动器到晶闸管的多层连接来控制例如该晶闸管的功率半导体器件。该连接(303)设计成用于提供一定水平的电感以致不需要在功率半导体器件(302)周围增加缓冲器电路以限制在功率半导体器件(302)的关断时电压的升高使得功率半导体器件(302)不被破坏。

Description

用于功率半导体器件的控制器件

技术领域

本实用新型涉及功率电子设备。特别地，本实用新型涉及用于功率半导体器件的控制器件和用于控制功率半导体的高电流的系统以及用于控制该半导体器件的控制器件。

背景技术

例如高功率整流器的功率电子系统典型地包括许多功率半导体，例如与用于控制各自的功率半导体的功率半导体控制器件关联的高功率晶闸管。一般来说，这些控制器件与功率电子系统的中央控制单元通信，其例如可与具体的控制器件通信。例如，晶闸管的门极可由控制器件开关，其从中央控制单元获得开关源的定时。一种特殊类型的功率半导体是晶闸管。

晶闸管由门极信号接通，但即使在门极信号被解除宣称后，晶闸管保持在导通状态直到任何关断条件出现，其可以是反向电压施加到端子，或当流过的电流(正向电流)降至称为“保持电流”的某一阈值以下时。因而，晶闸管在它开启或“激发”后表现像是正常的半导体二极管。

另一类型的晶闸管可以由门极信号开启，并且也可以由负极性的门极信号关断。关断由门极和阴极端子之间的“负电压”脉冲完成。正向电流中的一些(大约1/3至1/5)被“偷走”并且用于引起阴极-门极电压，其进而引起正向电流降低并且晶闸管将切断(转换到“阻断状态”)。

然而这些晶闸管遭受长切断时间，其中在正向电流降低之后，存在长的拖尾时间，其中剩余电流继续流动直到所有来自器件的剩余电荷已经被带走。

实用新型内容

因此本实用新型的目的是提供改进的功率半导体器件的控制和功能性。

这个目的通过根据权利要求1和14的用于功率半导体器件的控制器件和用于控制高电流的系统实现。其他优选实施例从从属权利要求明显可见。

根据本实用新型的实施例，用于功率半导体器件的控制器件包括连接，其中控制器件设计成用于控制功率半导体器件的电流。该连接设计成用于连接控制器件到功率半导体器件并且用于提供一定水平的电感以致不需要在功率半导体器件周围增加缓冲器电路以限制在功率半导体器件的关断时电压的升高。

这样的控制器件和功率半导体器件之间的连接可有利地提供大约1至2纳亨(nH)的低电感使得关于具有大约300nH的门极电感的需要缓冲器电路的门极关断晶闸管不需要外部器件以整形开启和关断电流以防止功率半导体器件的破坏。

由于该连接，GCT可以被均匀地关断并且因此可以使用而不需要缓冲器以限制电压的升高的速率。此外与GTO器件相比，这样的通过连接的用于功率半导体器件的控制器件显著减少功率半导体器件的切断时间。

由于设计成用于提供低水平电感的连接，高电磁抗扰性可提供有这个功率半导体器件的高可靠性。

这样的设计成用于提供低水平电感应率的连接的另一个优势是各自的低关断损耗。

这样的连接的另外的优势是关断脉冲可具有低电感性，其使得用于功率半导体器件的控制器件能够关断非常高的电流。此外，这样的连接提供低于1毫欧的低欧姆电阻。

这样的连接有利地提供半导体器件的简单关断的可能性，并且由于缓冲器电路不是必需的，具有低的空间要求。

上文提及的通过连接用于功率半导体器件提供低水平电感的控制器件可用于采用1兆瓦到100兆瓦功率的变速电动机驱动装置的变频器。

根据本实用新型的另一个实施例，控制器件还包括触发脉冲单元，其中触发脉冲单元设计成用于提供电流脉冲以开启功率半导体器件。

触发脉冲单元可以是触发脉冲电路，适用于均匀地开启功率半导体器件。

根据本实用新型的另一个实施例，控制器件还包括保持电流单元，其中保持电流单元设计成用于提供连续的电流以保持功率半导体器件处于导通状态。

保持电流单元可以是保持电流电路。

根据本实用新型的另一个实施例，控制器件还包括关断单元，其设计成用于提供电流脉冲以关断功率半导体器件。

关断单元可以是关断电路。

这样的关断单元可提供大约与必须关断的电流中之一相同的幅度的电流脉冲。

根据本实用新型的另一个实施例，该连接设计成用于连接控制器件到功率半导体器件的端子，其中该连接设计为多层器件，也就是说多层连接。

多层连接可以包括，例如，四层印刷(门极、阴极、门极、阴极)或六层印刷(门极、阴极、门极、阴极、门极、阴极)。多层连接可包括两个凸缘，其中该连接的凸缘被设计以夹住功率半导体器件的门极，使得门极被该连接的凸缘夹住。

多层连接可连到印刷电路板或可是印刷电路板的一部分，并且功率半导体器件例如通过板或夹子可连到印刷电路板。

根据本实用新型的另一个实施例，功率半导体器件是晶闸管，其中控制器件是门极驱动器。

根据本实用新型的另一个实施例，功率半导体器件是门极可控晶闸管(GCT)。

根据本实用新型的另一个实施例，控制器件设计为集成门极可控晶闸管(IGCT)门极驱动器。

根据本实用新型的另一个实施例，控制器件具有抵抗电磁场的抗扰性。

根据本实用新型的另一个实施例，触发脉冲单元设计为电路，每个电路包括电感器，其中电感器在脉冲被释放之前用电流供给能量。电流被非常快地换向到半导体器件的门极。

根据本实用新型的另一个实施例，触发脉冲单元和保持电流单元设计为具有电感器的电路，其中电感器由分立元件或在印刷电路板上的铜迹线中的一个组成。

根据本实用新型的另一个实施例，关断单元包括并行连接的多个电解电容器，和并行连接的多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

根据本实用新型的另一个实施例，并行连接的若干MOSFET的和并行连接的若干电解电容器设计成用于提供例如大约1至2纳亨的低电感和例如小于1毫欧的欧姆电阻。

根据本实用新型的另一个实施例，电解电容器设计成用于缓冲功率半导体器件的脉冲功率消耗。

根据本实用新型的另一个实施例，该连接被连接到用若干层构成的印刷电路板，其中印刷电路板到功率半导体器件的连接由交替的功率半导体器件的门极层和阴极层提供以便提供例如大约1至2nH的低电感。到功率半导体器件的该连接可包括两层。

根据本实用新型的另一个实施例，控制器件还包括控制单元。从控制单元到控制器件的门极驱动器的通信可以设计为光纤链路以提供用于控制器件和功率半导体器件的高电压隔离和电磁抗扰性。

根据本实用新型的另一个实施例，为了配合功率半导体器件的需求并且减少在控制器件上的功率耗散，由保持电流单元提供的电流是温度依赖性的。温度控制器件可设置在半导体器件的门极上用于控制到门极的电流，因为电流需求随功率半导体的温度而变化。例如半导体器件所需要的电流在0℃(摄氏)的温度下将是大约10A(安培)并且在超过60℃的温度下是2A。

根据本实用新型的另一个实施例，系统提供用于控制高电流，该系统包括半导体器件和根据上文提及的实施例中的任一个的用于控制功率半导体器件的控制器件。

本实用新型还涉及包括用于控制器件的一个或多个处理器的计算机程序代码的计算机程序产品，该器件适用于控制功率半导体器件的电流，特别地，计算机程序产品包括计算机可读介质，其包含该计算机程序代码于其中。

本实用新型的这些和其它方面将从下文中说明的实施例明显可见并且参考在下文中说明的实施例阐明。

附图说明

本实用新型的主旨将在下列关于优选示范实施例的正文中更加详细地说明，优选实施例在附图中示出。

图1a示出门极关断晶闸管(GTO)共发共基放大器的图示。

图1b示出根据本实用新型的实施例的门极可控晶闸管(GCT)的图示。

图2示出根据本实用新型的实施例的门极可控晶闸管(GCT)/二极管组合的截面的图示。

图3示出根据本实用新型的实施例的用于控制高电流的具有控制器件和功率半导体器件的系统的图示。

图4示出根据本实用新型的实施例的通过连接与门极可控晶闸管(GCT)连接的集成门极换流晶闸管(IGCT)门极驱动器的控制器件的图示。

图5a示出根据本实用新型的实施例的在用于大功率器件的印刷电路板上具有门极驱动器的门极可控晶闸管(GCT)的示意透视图。

图5b示出根据本实用新型的另一个实施例的在用于大功率器件的印刷电路板上具有门极驱动器的门极可控晶闸管(GCT)的示意透视图。

图6a示出根据本实用新型的实施例的在用于小功率器件的印刷电路板上具有门极驱动器的门极可控晶闸管(GCT)的图示。

图6b示出根据本实用新型的另一个实施例的在用于小功率器件的印刷电路板上具有门极驱动器的门极可控晶闸管(GCT)的图示。

图6c示出根据本实用新型的另外的实施例的在用于小功率器件的印刷电路板上具有门极驱动器的门极可控晶闸管(GCT)的图示。

在附图中使用的标号和它们的含义在标号列表中以摘要的形式列出。原则上，相同的部件在图中提供有相同的标号。

具体实施方式

图1a示出包括阳极101、阴极102和门极103以及包含过剩自由电子的两个n型基极105(对于电子是负的)和包含过剩空穴的两个p型基极104(对于空穴是正的)的GTO晶闸管共发共基放大器(GTOthyristor cascode)100。GTO晶闸管开启/关断电路106通过提供相应的电流来控制GTO晶闸管100以开启和关断GTO 100。GTO晶闸管开启/关断电路106连接到阴极102和门极103，门极103设置在两个n型基极105之间的p型基极104处。GTO晶闸管开启/关断电路106可连接到缓冲器电路以整形开启和关断电流以防止GTO晶闸管100的破坏。GTO晶闸管开启/关断电路106可以由开关108激活。

GTO晶闸管100用电流门极脉冲开启并且在正向导通中闩锁。为了关断GTO晶闸管共发共基放大器100，通过断开与阴极102串联的开关108迫使全部阳极电流换向到门极103。于是，GTO晶闸管100转变为pnp晶体管而没有基极接触。阴极发射极的再生动作被阻止并且共发共基放大器GTO 100均匀地关断。这在理论上使GTO共发共基放大器100成为极其耐用的开关。最大关断电流显著高于常规GTO的等级并且保护性缓冲器电路可省略，因为在近单位增益处存在关断。

图1b示出具有阳极101、阴极102、门极103和两个n型基极105以及两个p型基极104的门极可控晶闸管(GCT)110，其中门极103连到两个n型基极105之间的p型基极104。电压V_cg在阴极102和阳极101之间提供。

GCT开启/关断电路107向门极103提供门极电压V_g以便开启和关断GCT 110，也就是说控制GCT 110。大约1至2纳亨的非常低的电感应率L_s→0必须由根据图1b的设置提供。

根据图1b的GCT 110根据图1a的共发共基放大器原理的改进的实现并且工作如下：为了关断GCT 110，p型基极-n型发射极结通过施加负电压而反向偏置，于是立刻停止阴极102的注入并且转换GCT110为pnp型晶体管。该概念仅在如果在空间电荷区可以在p型基极n型基极结处形成之前，即在器件开始建立阻断电压之前，全部的阳极电流可以被换向进入门极103的情况下成功。

粗略地，向门极103的电流换向必须在小于一微秒内发生。这个要求暗指对门极驱动器的最大阻抗的紧约束。例如，为了关断1000A且V_g＝20V，连接到门极103的门极驱动器的最大杂散电感是大约20纳亨(nH)。

这样的低门极电感只可以通过特殊的具有共面的门极阴极导体的GCT外壳结构获得。

GCT 110可设计为对于相同的正向击穿电压，与传统的GCT 110相比，具有高达30％的减少的厚度的缓冲层功率半导体。这个减少的厚度的主要益处是更低的导通状态损耗和显著减少的关断损耗。

图2示出GCT/二极管组合200的截面的图示。GCT包括阴极202、设置在阴极202周围的门极203、以及与二极管共享的阳极205。二极管包括阴极204、与GCT共享的阳极205、以及p型基极104和三个n型基极105。

GCT包括n型基极105，其连接到阴极202并且与n型基极105直接连接的是与门极203连接的p型基极104。沿着门极连接p型基极104有n型基极105，其与二极管共享。沿着n型基极105有另外两个n型基极105，其中一个n型基极连接到由GCT和二极管共享的阳极105。

图2示出通过反向导通GCT 201的示意横截面。二极管和GCT共享共用的阻断结(GCT p型基极和二极管阳极接合部)。两个p型基极的完全分离避免GCT门极203和二极管阳极204之间不期望有的电阻路径。由于产生的pnp型结构，一个pn结将一直被反向偏置，因而防止GCT门极和二极管阳极之间显著的电流。

图3示出用于控制高电流300的系统的图示，其中例如晶闸管或门极可控晶闸管等的功率半导体器件302，通过例如多层连接等的连接303连接到例如门极驱动器或集成门极可控晶闸管(IGCT)的控制器件301。控制器件301通过光纤链路305连接到控制单元304。

从控制单元304到控制器件301的门极驱动器的通信设计为光纤链路305以便向控制器件301和功率半导体器件302提供高电压隔离和电磁抗扰性。

控制器件301设计成用于控制功率半导体器件302的电流流动，也就是说开启或关断功率半导体器件302。

连接303设计成用于提供一定水平的电感以致可不需要在功率半导体器件302周围增加缓冲器电路以限制在功率半导体器件302的关断时电压的升高以防止功率半导体器件302的破坏。电感的水平可是1至2纳亨。

图4示出通过连接303与功率半导体器件302特别是GCT 302连接的控制器件301特别是IGCT门极驱动器301的示意图。GCT 302包括阴极102、阳极101和门极103。连接303设计成用于连接IGCT门极驱动器301与端子404和GCT 302的门极103。

控制器件301包括触发脉冲单元401，特别是触发脉冲电路401，其设计成用于提供电流脉冲以开启功率半导体器件302。触发脉冲单元401可以设计成用于均匀地开启功率半导体器件302。触发脉冲单元401可以包括电感器，其在脉冲被释放之前用电流供给能量。然后电流可以非常快地换向到门极103。

控制器件301还包括保持电流单元402，特别是保持电流电路402，并且设计成用于提供连续的电流以保持功率半导体器件302处于导通状态。保持电流可以是温度依赖的，以配合GCT 302的需求并且减少在门极驱动器301上的功率耗散。因此可以在控制器件301上提供温度控制单元，其以GCT 302的温度为基础来控制电流。GCT 302通常具有与控制器件301相比相同的温度或更高的温度。在GCT 302的0℃的温度下有例如10A的电流并且在GCT 302的超过60℃的温度下有大约2A的电流，所有电流必须调节为恒定电流到门极103。

触发电路401和保持电流电路402包括电感器，其是分立元件或用印刷电路板上的铜迹线组成。

如在图4中示出的控制器件301还包括关断单元403，特别是关断电路403，其设计成用于提供具有与必须关断的电流大约相同振幅的电流脉冲以关断功率半导体器件。在图4中说明的实施例中关断电压大约是-20V。关断电路403可以包括并行连接的若干电解电容器501(参见例如图5a)和并行连接的若干金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以提供需要的大约1至2纳亨的低电感和小于1毫欧的低欧姆电阻。

触发脉冲单元401、保持电流单元402和关断单元403并行连接到连接控制器件301与功率半导体器件302的连接303。

图5a示出通过具有四层印刷(门极，阴极，门极，阴极)的多层连接303(其可以是印刷电路板502的一部分)连接到包括多个电解电容器501的门极驱动器301的GCT 302。GCT 302通过板或夹子503连到印刷电路板502。该多层连接303包括两个凸缘，其夹住GCT 302的门极。

连接303可是印刷电路板的一部分。

以门极驱动器301的形式的具有多个电容器501的控制器件301也连到印刷电路板502。

电容器501可以是电解电容器501并且提供以缓冲设计为GCT302的功率半导体器件302的高脉冲功率消耗。

印刷电路板502是多层构造。GCT 302与门极驱动器301的连接交替的门极层和阴极层来制成以获得大约1至2纳亨的低电感。

通过在图5a的印刷电路板502上的连接303连接的控制器件301和功率半导体器件302提供用于采用5MW至30MW的高功率的电动机驱动器的变频器(frequency converter)。

用根据图5a和5b的GCT 320，可以获得例如用于铁路网的从16.7Hz至50Hz的变频器。

图5b示出通过在根据图5a的印刷电路板502上的多层连接303彼此连接的控制器件301与功率半导体器件302，其中连接303设计为具有六层印刷(门极，阴极，门极，阴极，门极，阴极)的多层连接。

图6a示出用沿GCT 302圆周的八个夹子503连到印刷电路板502的GCT 302。

可以是电解电容器501的十个电容器501设置在GCT 302的每一侧(十个电容器501在左边而十个电容器在GCT 302的右边)并且连到印刷电路板502上。

印刷电路板还包括电源连接器601、用于机械固定的塑料支持器602和可以连接到控制单元的光纤接收器603。连到印刷电路板502的GCT 302设计成用于采用1MW至7MW的低功率器件的变频器。

图6b示出连到具有根据图6b的电容器501的印刷电路板502的GCT 302的示意性表示，其中GCT 302通过彼此相对设置的一对三个夹子503连到印刷电路板502，并且一对八个电容器靠近印刷电路板502的边缘设置在GCT 302的每一侧。

图6c示出连到具有根据图6a的电容器501的印刷电路板502的GCT 302的示意性表示，其中GCT 302通过五个夹子503连到印刷电路板502(两个夹子503与三个夹子503相对)并且具有一共七个靠近印刷电路板502的边缘连到印刷电路板502的电容器501(三个电容器501与四个电容器501相对)。

优选地，用于功率半导体器件302的控制器件301、控制单元和用于控制高电流的系统300分别作为可编程的软件模块或程序实现；然而，一位本领域内技术人员将理解用于功率半导体器件302的控制器件301、控制单元和用于控制高电流的系统300可以完全地或部分地以硬件实现。

尽管本实用新型已经在附图和前述说明中详细地图示和说明，这样的图示和说明要认为是说明性的或示范的而不被限制；本实用新型不限于公开的实施例。对公开的实施例的其他变化形式可以被那些本领域内技术人员理解和实现并且从对附图、公开和附加权利要求的学习实践本要求权利的实用新型。

在权利要求中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多数。单个控制器件或功率半导体器件或控制单元或用于控制高电流的系统可实现在权利要求中陈述的若干项的功能。某些措施在互相不同的从属权利要求中陈述的少数事实不仅指示这些措施的组合不可以有利地使用。在权利要求中的任何标号不应该解释为限制范围。

标号列表

101  阳极                      300  用于控制高电流的系统

102  阴极                      303  连接，多层连接

103  门极                      603  光纤接收器

106  GTO晶闸管开启/关断电路    304  控制单元

107  GCT开启/关断电路          305  光纤链路

110  门极可控晶闸管(GCT)       401  触发脉冲单元，触发脉冲电路

200  GCT/二极管组合            402  保持电流单元，保持电流电路

201  二极管                    403  关断单元，关断电路

202  GCT的阴极                 501  电容器，电解电容器

203  GCT的门极                 502  印刷电路板(PCB)

204  二极管的阴极              503  夹子，板

205  GCT和二极管的阳极         601  电源连接器

                               602  用于机械固定的塑料支持器

100  门极关断(GTO)晶闸管共     302  功率半导体器件，晶闸管，门

     发共基放大器                   极可控晶闸管(GCT)

104  p型基极(包含过剩空穴)，   105  n型基极(包含过剩自由电

     对于空穴是正的                 子)，对于电子是负的

301  控制器件，门极驱动器，集  108  用于GTO晶闸管开启/关断电

     成门极可控晶闸管(IGCT)         路的开关

     门极驱动器

Claims (14)

1.一种用于功率半导体器件(302)的控制器件(301)，包括：

连接(303)；

其中所述控制器件(301)设计成用于控制所述功率半导体器件(302)的电流流动；

其中所述连接(303)将所述控制器件(301)连接到所述功率半导体器件(302)；

其中所述连接(303)提供一定水平的电感，以致不需要在所述功率半导体器件(302)周围增加缓冲器电路以限制在所述功率半导体器件(302)的关断时电压的升高。

2.如权利要求1所述的控制器件(301)，包括：

触发脉冲单元(401)；

其中所述触发脉冲单元(401)设计成用于提供电流脉冲以开启所述功率半导体器件(302)。

3.如权利要求1-2中的一项所述的控制器件(301)，还包括：

保持电流单元(402)；

其中所述保持电流单元(402)设计成用于提供连续的电流以保持所述功率半导体器件(302)处于导通状态。

4.如权利要求1所述的控制器件(301)，还包括：

关断单元(403)；

其中所述关断单元(403)设计成用于提供电流脉冲以关断所述功率半导体器件(302)。

5.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述连接(303)将所述控制器件(301)连接到所述功率半导体器件(302)的端子(404)，

其中所述连接(303)设计为多层器件。

6.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述功率半导体器件(302)是晶闸管，

其中所述控制器件(301)是门极驱动器。

7.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述控制器件(301)具有抵抗电磁场的抗扰性。

8.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述触发脉冲单元(401)和所述关断单元(403)设计为电路，每个电路包括：

电感器；

其中所述电感器在所述脉冲被释放之前用电流供给能量；

其中所述电流被非常快地换向到所述功率半导体器件(302)的门极(103)。

9.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述触发脉冲单元(401)和所述保持电流单元(402)设计为电路，每个电路包括：

由分立元件或在印刷电路板(502)上的铜迹线中之一组成的电感器。

10.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述关断单元(403)包括

并行连接的多个电解电容器(501)，以及

并行连接的多个MOSFET。

11.如权利要求10所述的控制器件(301)，

其中所述电解电容器(501)设计成用于缓冲所述功率半导体器件(302)的脉冲功率消耗。

12.如权利要求1所述的控制器件(301)，

其中所述连接(303)连接到用若干层构成的印刷电路板(502)；

其中所述印刷电路板(502)到所述功率半导体器件(302)的所述连接(303)由交替的所述功率半导体器件(302)的门极(103)层和阴极(102)层提供以便提供大约1至2纳亨(nH)的低电感。

13.如权利要求1所述的控制器件(301)，还包括：

控制单元(304)；

其中从所述控制单元(304)到所述控制器件(301)的通信设计为光纤链路(305)以提供用于所述控制器件(301)的高电压隔离和电磁抗扰性。

14.一种用于控制高电流的系统(300)，所述系统包括：

功率半导体器件(302)，

如权利要求1至13中的一项所述的用于控制所述功率半导体器件(302)的控制器件(301)。

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