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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung.
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Stand der Technik
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Eine konventionelle Komposithalbleiterschaltvorrichtung ist, wie in
JP H05-90933 A beschrieben, so konfiguriert, dass ein Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistor und ein isolierter Gatterbipolartransistor parallel in einem Umschalt-Schaltkreis verbunden sind, der Stromumwandlung durch Schaltoperationen durchführt, und der Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistor hat eine Gatterschwellenwertspannung niedriger als eine Gatterschwellenwertspannung des isolierten Gatterbipolartransistors. Das heißt, dass durch paralleles Verbinden des IGBT und des MOSFET ein kleiner Strom durch den MOSFET fließt, der eine Saturierungsspannung niedriger als der IGBT aufweist, ein mittlerer Strom durch sowohl den IGBT als auch den MOSFET fließt, und ein großer Strom durch den IGBT fließt, der eine Saturierungsspannung niedriger als der MOSFET aufweist. Gemäß der Komposithalbleiterschaltvorrichtung ist ihre Einschaltsaturierungsspannung diejenige des MOSFET in einem kleinen Spannungsbereich und ist diejenige des IGBT in einem großen Spannungsbereich; daher weist im gesamten Strombereich die Komposithalbleiterschaltvorrichtung eine Saturierungsspannung niedriger als jene der MOSFET-Komponente und der IGBT-Komponente auf, um einen kleineren EIN-Zustandsverlust aufzuweisen, wodurch eine Umwandlungseffizienz verbessert wird.
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Eine andere konventionelle Komposithalbleiterschaltvorrichtung beinhaltet, wie in
JP H06-90151 A beschrieben, Schalttransistoren, die parallel verbunden sind, um einer Last einen Strom bereitzustellen, und einen Impulsgenerator, der in Reaktion auf den Strom pulsweitenmodulierte Impulszyklen bereitstellt, die alle ein Impulssignal aufweisen, und ein abwechselnder Selektor, der in jedem Impulszyklus einen vorbestimmten Transistor dazu steuert, vor den anderen Transistoren einzuschalten, wodurch alle Einschaltverluste verteilt werden, und einen vorbestimmten Transistor steuert, später als die anderen Transistoren abzuschalten, wodurch alle Ausschaltverluste verteilt werden.
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In der oben erwähnten Komposithalbleiterschaltvorrichtung kann der Schaltverlust gleich den parallel verbundenen MOSFET-Transistoren zugewiesen werden.
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US 2011/00134387 A1 beschreibt im Allgemeinen elektronische Leistungsschaltungen und insbesondere Wechselrichtermodule, die mit zwei oder mehr gesteuerten MOSFET-Leistungsschaltern ausgebildet sind, die mit reaktiven Lasten verwendet werden können. Eine Wechselrichterschaltung mit ersten und zweiten Eingangsanschlüsse wird mit einer Gleichrichterspannungs-Stromquelle verbunden. Sie umfasst ferner erste und zweite Ausgangsanschlüsse zum Ausgeben einer Wechselspannung auszugeben und mindestens einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, der eine parasitäre Diode aufweist. Die Wechselrichterschaltung umfasst in einer Ausgestaltung einen IGBT, der parallel zu dem MOSFET geschaltet ist, wobei der MOSFET Anschaltverluste übernimmt. Der MOSFET wird gegenüber dem IGBT verzögert abgeschaltet, um die Abschaltverluste der IGBT zu vermeiden.
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DE 100 10 957 A1 beschreibt einen Leistungsschalter für Drei-Phasen-Umrichter. Der Wechselrichter umfasst mindestens eine elektrische Halbbrücke, die zwei in Reihe geschaltete Leistungsschalter besitzt, deren elektrische Verbindung eines Ausgangs des Wechselrichters darstellt. Die Leistungsschalter besitzen jeweils eine Parallelschaltung mindestens eines MOSFET und mindestens eines IGBT, wobei zu jedem Leistungsschalter ein mit einer Diode versehener Freilaufzweig parallel geschaltet ist und sich die Körperdioden des MOSFETS (M1x) in dem Freilaufzweig befinden. Die Leistungsschalter werden so angesteuert, dass die IGBT und MOSFET eines Leistungsschalters gleichzeitig eingeschaltet, die MOSFET jedoch zeitverzögert zu den IGBT ausgeschaltet werden.
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Eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung im oben aufgelisteten Patentdokument
JP H05-90933 A bezieht sich auf eine Technik, in der die Halbleiterelementschaltverluste dem MOSFET und dem IGBT anhand ihrer Gatterschwellenwertspannungen zugewiesen werden; eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung in dem oben gelisteten Patentdokument 2 bezieht sich auf eine Technik, in der Schaltverluste, die beim Ein- und Ausschalten auftreten, gleichmäßig den Transistoren zugewiesen sind. Andererseits, weil Halbleiterelemente einen Schaltverlust und einen Steady-State-Verlust aufweisen, ist ein Problem gefunden worden, dass, falls die zwei Stromverluste sich zwischen einem ersten Halbleiterelement und einem zweiten Halbleiterelement, die in der Komposithalbleiterschaltvorrichtung enthalten sind, unterscheiden, der Schaltverlust und der Steady-State-Verlust nicht geeignet den entsprechenden Halbleiterelementen zugewiesen sind, gemäß ihrer Leistungsverlustcharakteristik.
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Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um das oben beschriebene Problem zu lösen und hat als Ziel, eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung bereitzustellen, in welcher erster und zweiter Halbleiterelemente mit Differenzen in ihren Schaltverlustcharakteristiken parallel verbunden sind, um Steuerbefehlssignale gemäß der Stromverlustcharakteristik der ersten und zweiten Halbleiterelemente zu erhalten.
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Eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung beinhaltet: Ein erstes Halbleiterelement, das Schaltverluste erleidet, wenn ein Schaltbetrieb des Ein- und Ausschaltens durchgeführt wird; ein zweites Halbleiterelement, das parallel mit dem ersten Halbleiterelement verbunden ist und Schaltverluste größer als die des ersten Halbleiterelements erleidet, beim Durchführen von Schaltoperationen des Ein- und Ausschaltens; und ein Steuermittel, das arbeitet in der Reihenfolge des Gebens eines ersten Ein-Befehlssignals an das erste Halbleiterelement, Geben eines zweiten Ein-Befehlssignals an das zweite Halbleiterelement, Deaktivieren des ersten Ein-Befehlssignals, Geben eines dritten Ein-Befehlssignals an das erste Halbleiterelement und Deaktivieren des zweiten Ein-Befehlssignals. Gemäß der Komposithalbleiterschaltvorrichtung arbeitet das Steuermittel in der Reihenfolge des Gebens des ersten Ein-Befehlssignals an das erste Halbleiterelement zum Einschalten des ersten Halbleiterelements, Geben des zweiten Ein-Befehlssignals an das zweite Halbleiterelement, Deaktivieren des ersten Ein-Befehlssignals, Geben des dritten Ein-Befehlssignals an das erste Halbleiterelement und Deaktivieren des zweiten Ein-Befehlssignals. Dies veranlasst das erste Halbleiterelement, nur die Ein- und Ausschaltverluste zu erleiden und veranlasst das zweite Halbleiterelement, den Steady-State-Verlust zu erleiden, was es ermöglichst, dass ein Leistungsverlust geeignetermaßen den entsprechenden Halbleiterelementen anhand ihrer Schaltverlustcharakteristika zugewiesen ist.
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In einer Komposithalbleiterschaltvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird es bevorzugt, dass das Steuermittel die ersten und zweiten Ein-Befehlssignale so erzeugt, dass, nachdem sich das zweite Ein-Befehlssignal bildet, ein Zeitraum, der zwischen dem zweiten Ein-Befehlssignal und dem ersten Ein-Befehlssignal überlappt, eine Einschaltzeit des zweiten Halbleiterelements oder länger ist, aber das zweifache der Einschaltzeit oder kürzer ist. Dies kann einen Steady-State-Leistungsverlust des ersten Halbleiterelements reduzieren, weil das erste Halbleiterelement rasch ausgeschaltet wird, nachdem das zweite Halbleiterelement vollständig eingeschaltet ist, in einem Zustand, bei dem das erste Halbleiterelement einschaltet.
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In einer Komposithalbleiterschaltvorrichtung gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird es bevorzugt, dass das Steuermittel die zweiten und dritten Ein-Befehlssignale so erzeugt, dass, nachdem sich das dritte Ein-Befehlssignal aufbaut, ein zwischen dem dritten Ein-Befehlssignal und dem zweiten Ein-Befehlssignal überlappender Zeitraum eine Ausschaltzeit des zweiten Halbleiterelements oder länger ist, aber das zweifache der Ausschaltzeit oder kürzer ist. Dies kann den Steady-State-Leistungsverlust des ersten Halbleiterelements reduzieren, weil das erste Halbleiterelement rasch im Leitungszustand ausgeschaltet wird, nachdem das zweite Halbleiterelement ausschaltet. Weiterhin ist es durch Kombinieren der Komposithalbleiterschaltvorrichtungen gemäß dem zweiten und dritten Aspekt der Erfindung möglich, dass praktisch alle Ein- und Ausschaltverluste dem ersten Halbleiterelement zugewiesen sind und fast der gesamte Steady-State-Verlust dem zweiten Halbleiterelement zugewiesen ist. Daher können die Ein- und Ausschaltverluste und der Steady-State-Verlust geeigneter Maßen dem ersten Halbleiterelement bzw. dem zweiten Halbleiterelement zugewiesen werden.
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Wirkung der Erfindung
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In einer Komposithalbleiterschaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind erste und zweite Halbleiterelemente mit Differenzen in ihren Schaltverlustcharakteristika parallel verbunden und werden die Stromverlustcharakteristika der ersten und zweiten Halbleiterelemente berücksichtigt, um erste und zweite Steuerbefehlssignale an erste bzw. zweite Halbleiterelemente zu geben. Dies ermöglicht uns, eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung zu erhalten, in welcher der Schaltverlust geeigneter Maßen den ersten und zweiten Halbleiterelementen zugewiesen ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine allgemeine Ansicht einer Komposithalbleiterschaltvorrichtung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert; und
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2 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen der in 1 gezeigten Komposithalbleiterschaltvorrichtung zeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Komposithalbleiterschaltvorrichtung
- 11
- erstes Halbleiterelement
- 12
- zweites Halbleiterelement
- 20
- Steuerung
- 20a
- erstes Steuerbefehlssignal
- 20b
- zweites Steuerbefehlssignal
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Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
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Ausführungsform 1
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Verwendung von 1 und 2 erläutert. 1 ist eine allgemeine Ansicht einer Komposithalbleiterschaltvorrichtung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung repräsentiert; 2 ist ein Zeitdiagramm, das Operationen der in 1 gezeigten Komposithalbleiterschaltvorrichtung zeigt. 1 zeigt, dass die Komposithalbleiterschaltvorrichtung 1 eine Halbleiterschalteinheit 10 mit schaltbaren Halbleiterelementen und eine Steuerung 20, die Steuerbefehlssignale für die Halbleiterschalteinheit 10 erzeugt, enthält. Die Halbleiterschalteinheit 10 beinhaltet ein erstes Halbleiterelement 11, das aus einem SiC MOSFET besteht, und ein zweites Halbleiterelement 12, das parallel mit dem ersten Halbleiterelement 11 verbunden ist und aus einem Si-IGBT mit einem größeren Schaltverlust als das erste Halbleiterelement besteht. Die Halbleiterschalteinheit 10 beinhaltet weiter einen ersten Gatteranschluss Ga zum Antreiben des ersten Halbleiterelements 11, einen zweiten Gatteranschluss Gb zum Antreiben des zweiten Halbleiterelements 12 und zwei Ausgangsanschlüsse Oa und Ob. Hier weist im Vergleich zum zweiten Halbleiterelement 12 das erste Halbleiterelement 11 Eigenschaften kleineren Verlustes und einer höheren Schaltgeschwindigkeit auf, hat aber einen Nachteil höherer Kosten.
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Die Steuerung 20 ist so konfiguriert, dass sie ein erstes Steuerbefehlssignal 20a zum Antreiben des ersten Halbleiterelements 11 erzeugt, und ein zweites Steuerbefehlssignal 20b zum Antreiben des zweiten Halbleiterelements 12 erzeugt. Wie in 2 gezeigt, ist das erste Steuerbefehlssignal 20a so konfiguriert, dass es ein erstes Ein-Befehlssignal ab einer Referenzzeit t1 während eines Zeitraums etwas länger als die Einschaltzeit des ersten Halbleiterelements 11 ergibt, das heißt während eines ersten vorbestimmten Zeitraums ton1; das zweite Steuerbefehlssignal 20b ist so konfiguriert, dass es ein zweites Ein-Befehlssignal während eines zweiten vorbestimmten Zeitraums ton2 ab einer Zeit t2 erzeugt, die um einen Zeitraum ta gegenüber der Referenzzeit t1 verschoben ist. Hier, während das erste Ein-Befehlssignal erzeugt wird, überlappen das erste Ein-Befehlssignal und das zweite Ein-Befehlssignal für einen kurzen Zeitraum ab dem zweiten Ein-Befehlssignalaufbau. Dies zielt darauf ab, zu verhindern, dass das zweite Halbleiterelement 12 einen Einschalt-Schaltverlust erleidet, indem das zweite Halbleiterelement 12 eingeschaltet wird, während das erste Halbleiterelement 11 im Ein-Zustand ist.
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Die Steuerung 20 ist so konfiguriert, dass ein drittes Ein-Befehlssignal zur Zeit t3 erzeugt wird, das heißt, einem Moment, wenn ein Zeitraum tb etwas kürzer als der Zeitraum ton2 ab dem Zeitpunkt t2 verstreicht, um einen dritten vorbestimmten Zeitraum ton3 lang erzeugt gehalten zu werden, und dann zur Zeit t4 deaktiviert wird. Hier, unmittelbar bevor das zweite Ein-Befehlssignal beendet wird, überlappen das dritte Ein-Befehlssignal und das zweite Ein-Befehlssignal einen kurzen Zeitraum lang. Dies zielt darauf ab, zu verhindern, dass das zweite Halbleiterelement 12 einen Ausschalt-Schaltverlust erleidet, indem das zweite Halbleiterelement 12 ausgeschaltet wird, während das erste Halbleiterelement 11 im Ein-Zustand ist.
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Als Nächstes ist die Steuerung 20 so konfiguriert, dass Aus-Befehle, welche die ersten und zweiten Steuerbefehlssignale sind, ab der Zeit t4 einen Zeitraum ts lang erzeugt werden, um die ersten und zweiten Halbleiterelemente 11 und 12 abzuschalten. Wie oben beschrieben, erzeugt die Steuerung 20 die ersten und zweiten Steuerbefehlssignale in einem Zyklus von der Zeit t1 zu einer Zeit t5, in welcher das erste Ein-Befehlssignal ab der Zeit t1 für den ersten vorbestimmten Zeitraum ton1 erzeugt wird, das zweite Ein-Befehlssignal ab der Zeit t2 einen zweiten vorbestimmten Zeitraum ton2 lang erzeugt wird, das dritte Ein-Befehlssignal ab der Zeit t3 einen dritten vorbestimmten Zeitraum ton3 lang erzeugt wird und dann die ersten und zweiten Steuerbefehlssignale in einem Zustand von Aus zur Zeit t4 sind. Dann startet die Steuerung den nächsten Zyklus zu einer Zeit t5 (t1).
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Es wird eine Erläuterung des Betriebs der oben beschriebenen Komposithalbleiterschaltvorrichtung unter Verwendung von 1 und 2 gegeben. Die Steuerung 20 gibt das erste Ein-Befehlssignal in den ersten Gatteranschluss Ga des ersten Halbleiterelements 11 in der Halbleiterschalteinheit 10 ab der Referenzzeit t1 einen ersten vorbestimmten Zeitraum ton1 lang ein, wodurch das erste Halbleiterelement 11 eingeschaltet wird, um einen Strom an einer Last (in der Figur nicht gezeigt) anzulegen. Die Steuerung 20 gibt das zweite Ein-Befehlssignal in den zweiten Gatteranschluss Gb ab der Zeit t2, d. h. einem Moment, wenn der Zeitraum ta ab der Referenzzeit t1 verstreicht, einen zweiten vorbestimmten Zeitraum ton2 lang ein, so dass das zweite Halbleiterelement 12 in einem Zustand einschaltet, bei dem das erste Halbleiterelement 11 komplett einschaltet. Nach Verstreichen eines kurzen Zeitraums ab der Zeit t2 wird das erste Ein-Befehlssignal deaktiviert, um das erste Halbleiterelement 11 auszuschalten, so dass nur das zweite Halbleiterelement 12 eine Weile lang einschaltet, um den Strom der Last zuzuführen (in der Figur nicht gezeigt).
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Hier wird es bevorzugt, dass die Steuerung 20 die ersten und zweiten Ein-Befehlssignale so erzeugt, dass, nachdem das Ein-Befehlssignal sich zur Zeit t2 aufbaut, ein mit dem ersten Ein-Befehlssignal überlappender Zeitraum einer Einschaltzeit des zweiten Halbleiterelements 12 oder länger ist, aber das doppelte der Einschaltzeit oder kürzer ist. Dies liegt daran, dass ein Steady-State-Leistungsverlust des ersten Halbleiterelements 11 reduziert werden kann, indem das erste Halbleiterelement 11 rasch abgeschaltet wird, nachdem das zweite Halbleiterelement 12 komplett einschaltet.
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Ab der Zeit t3, das heißt einem Punkt, wenn der Zeitraum tb etwas kürzer als der zweite vorbestimmte Zeitraum ton2 ab der Zeit t2 verstreicht, erzeugt die Steuerung 20 das dritte Ein-Befehlssignal für den dritten vorbestimmten Zeitraum ton3, um das erste Halbleiterelement 11 einzuschalten. Nach einem Verstreichen eines kurzen Zeitraums ab der Zeit t3 wird das zweite Ein-Befehlssignal deaktiviert, um das zweite Halbleiterelement 12 auszuschalten, so dass nur das erste Halbleiterelement 11 eine Weile lang eingeschaltet bleibt, um den Strom zur Last fließen zu lassen (in der Figur nicht gezeigt). Hier wird es bevorzugt, dass die Steuerung 20 die zweiten und dritten Ein-Befehlssignale so erzeugt, dass, nachdem sich das dritte Ein-Befehlssignal zur Zeit t3 aufbaut, ein Zeitraum, der mit dem zweiten Ein-Befehlssignal überlappt, ein Ausschaltzeitpunkt des zweiten Halbleiterelements 12 oder länger ist, aber das zweifache der Ausschaltzeit oder kürzer ist. Dies liegt daran, dass der Steady-State-Leistungsverlust des ersten Halbleiterelements 11 durch rasches Ausschalten des ersten Halbleiterelements 11 in seinem Leitungszustand, nachdem das zweite Halbleiterelement 12 ausschaltet, reduziert werden kann.
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Als Nächstes wird das aus der Steuerung 20 erzeugte dritte Ein-Befehlssignal zur Zeit t4 deaktiviert und gibt die Steuerung 20 ab dem Zeitpunkt t4 einen vierten vorbestimmten Zeitraum ts lang erste und zweite Aus-Befehlssignale in den ersten Gatteranschluss Ga bzw. zweiten Gatteranschluss Gb ein, um die ersten und zweiten Halbleiterelemente 11 und 12 ausgeschaltet zu halten. Wie oben beschrieben, ist ein Zeitraum ab der Zeit t1 bis zur Zeit t5 ein Zyklus für die ersten und zweiten Steuerbefehlssignale 20a und 20b, die als Steuerbefehlssignale dienen, die in diesem Zyklus wiederholt werden, um die Halbleiterschalteinheit 10 anzutreiben.
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Die Komposithalbleiterschaltvorrichtung der oben beschriebenen Ausführungsform beinhaltet: Ein erstes Halbleiterelement 11, das zum Durchführen von Schaltoperationen zum Ein- und Ausschalten in der Lage ist; ein zweites Halbleiterelement 12, das parallel mit dem ersten Halbleiterelement 11 verbunden ist und zum Durchführen von Schaltoperationen zum Ein- und Ausschalten mit einem größeren Schaltverlust als das erste Halbleiterelement 11 in der Lage ist; und eine Steuerung 20, die arbeitet in der Reihenfolge des Gebens eines ersten Ein-Befehlssignals an das erste Halbleiterelement 11, Gebens eines zweiten Ein-Befehlssignals an das zweite Halbleiterelements 12, Deaktivierens des ersten Ein-Befehlssignals, Gebens eines dritten Ein-Befehlssignals an das erste Halbleiterelement 11 und Deaktivierens des zweiten Ein-Befehlssignals.
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In der Komposithalbleiterschaltvorrichtung 1 ist das zweite Halbleiterelement 12 vorgesehen, das parallel mit dem ersten Halbleiterelement 11 verbunden ist und einen größeren Schaltverlust als das erste Halbleiterelement 11 aufweist, und schaltet die Steuerung 20 das erste Halbleiterelement 11 ein und aus und lässt das zweite Halbleiterelement 12 Elektrizität ab einem Ein-Zeitpunkt bis zu einem Aus-Zeitpunkt leiten. Dies veranlasst das erste Halbleiterelement 11, nur die Ein- und Ausschaltverluste zu erleiden und veranlasst das zweite Halbleiterelement 12, den Steady-State-Verlust zu erleiden, was es möglich macht, dass ein Verlust den entsprechenden Halbleiterelementen 11 und 12 gemäß den Schaltverlusten zugewiesen wird. Diese Technik kann das Leistungsverlust-Rating des ersten Halbleiterelements 11 reduzieren.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Erfindung ist auf eine Komposithalbleiterschaltvorrichtung anwendbar.
