DE112016007486T5

DE112016007486T5 - Gate-Ansteuerschaltung

Info

Publication number: DE112016007486T5
Application number: DE112016007486.7T
Authority: DE
Inventors: Shota Saito; Keisuke NAKAMOTO
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN109983699A; US20190273492A1; US10505536B2; CN109983699B; JPWO2018100647A1; WO2018100647A1

Abstract

Eine Vielzahl von Gate-Treibereinheiten (3, 4) steuert jeweils eine Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen (SW1, SW2) an. Eine Steuerschaltung (5) steuert die Vielzahl von Gate-Treibereinheiten (3, 4). Jede Gate-Treibereinheit (3, 4) enthält einen Gate-Treiber (6), der einem Gate der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung (SW1, SW2) eine Gatespannung bereitstellt, und eine Potentialdifferenzen messende Einheit (7), die eine Potentialdifferenz (Va), die aufgrund einer Verdrahtungsinduktivität auf einer Emitter-Seite der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung (SW1, SW2) auftritt, für jeden Zyklus einer Ausgangsfrequenz misst. Die Steuerschaltung (5) stellt die durch den Gate-Treiber (6) jeder Gate-Treibereinheit (3, 4) bereitgestellte Gatespannung (VGE) so ein, dass die Potentialdifferenzen (Va) der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen (SW1, SW2) in einer Schaltoperation zum Einschalten oder Ausschalten einander gleich werden.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gate-Ansteuerschaltung, die jeweils eine Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen ansteuert.
Hintergrund
Halbleiter-Schaltvorrichtungen werden für eine Invertersteuerung in Schienenfahrzeugen oder bei Übertragung elektrischer Leistung verwendet. Wenn eine Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen betrieben wird, tritt aufgrund einer Dispersion in Charakteristiken zwischen den Vorrichtungen ein Stromungleichgewicht auf.
4 ist ein Diagramm, das Schaltwellenformen beim Einschalten von zwei parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen veranschaulicht. 5 ist ein Diagramm, das Schaltwellenformen beim Ausschalten von zwei parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen veranschaulicht. I1 und I2 bezeichnen Ströme, die durch die beiden Halbleiter-Schaltvorrichtungen fließen, VGE bezeichnet eine Gate-Emitter-Spannung, und VCE bezeichnet eine Kollektor-Emitter-Spannung. Aus 4 und 5 ist ersichtlich, dass zwischen den Strömen I1 und I2 ein Ungleichgewicht auftritt.
Zitatliste
Patentliteratur
[PTL 1] JP 2012-249224 A
Zusammenfassung
Technisches Problem
Es bestand ein Problem, dass sich bei Auftreten solch eines Stromungleichgewichts in den individuellen Halbleiter-Schaltvorrichtungen auftretende Verluste ausbreiten. Außerdem wird eine Technologie vorgeschlagen, um Kollektor-Emitter-Spannungen VCE einer Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen zu detektieren und Zeitlagen bzw. Zeitpunkte von Gate-Signalen einzustellen (siehe zum Beispiel PTL1). Da die Kollektor-Emitter-Spannungen VCE theoretisch zueinander identisch sind, konnte jedoch eine Dispersion von di/dt nicht genau überwacht werden.
Die vorliegende Erfindung ist erdacht, um die oben erwähnten Probleme zu lösen, und deren Aufgabe besteht darin, eine Gate-Ansteuerschaltung zu erhalten, die imstande ist, eine Dispersion von Schaltverlusten zu unterdrücken.
Lösung für das Problem
Eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Vielzahl von Gate-Treibereinheiten, die jeweils eine Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen ansteuern; und eine Steuerschaltung, die die Vielzahl von Gate-Treibereinheiten steuert, wobei jede Gate-Treibereinheit einen Gate-Treiber enthält, der einem Gate der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung eine Gatespannung bereitstellt, und eine Potentialdifferenzen messende Einheit, die eine Potentialdifferenz, die aufgrund einer Verdrahtungsinduktivität auf einer Emitter-Seite der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung auftritt, für jeden Zyklus einer Ausgangsfrequenz misst, und die Steuerschaltung die durch den Gate-Treiber jeder Gate-Treibereinheit bereitgestellte Gatespannung so einstellt, dass die Potentialdifferenzen der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen in einer Schaltoperation zum Einschalten oder Ausschalten einander gleich werden.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine durch den Gate-Treiber jeder Gate-Treibereinheit bereitgestellte Gatespannung so ein, dass die Potentialdifferenzen, die aufgrund von Verdrahtungsinduktivitäten auf Emitter-Seiten der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen in einer Schaltoperation zum Einschalten oder Ausschalten auftreten, einander gleich werden. Da di/dt der Halbleiter-Schaltvorrichtungen aufeinander abgestimmt werden können, kann dadurch ein Stromungleichgewicht in einem Parallelschaltungsbetrieb unterdrückt werden, und eine Dispersion von Schaltverlusten kann unterdrückt werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine teilweise erweiterte Ansicht von 1.
3 ist eine teilweise erweiterte Ansicht einer Gate-Ansteuerschaltung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm, das Schaltwellenformen beim Einschalten von zwei parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, das Schaltwellenformen beim Ausschalten von zwei parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen veranschaulicht.

Beschreibung von Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen Komponenten sind durch die gleichen Symbole bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann weggelassen werden.
Ausführungsform 1
1 ist ein Diagramm, das eine Gate-Ansteuerschaltung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2, die für eine Leistungsumwandlung oder -steuerung genutzt werden, sind miteinander in Reihe geschaltet. Eine Vielzahl von Paaren dieser Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 sind parallel verbunden. Eine Vielzahl von Gate-Treibereinheiten 3, 4 steuert jeweils die Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1, SW2 an. Eine Induktivität L ist eine Lastinduktivität in dem Fall, wenn die Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1, SW2 ein Schalten durchführen. Eine Steuerschaltung 5 steuert die Vielzahl von Gate-Treibereinheiten 3 und 4.
Eine Diode D1 ist mit der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 antiparallel verbunden. Eine Gate-Elektrode 1a ist mit dem Gate der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 verbunden. Eine Kollektor-Elektrode 1b und eine Kollektor-Hilfselektrode 1c sind mit dem Kollektor der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 verbunden. Die Kollektor-Elektrode 1b und eine Emitter-Elektrode 1d werden genutzt, wenn veranlasst wird, dass ein Hauptstrom in der Parallelschaltung fließt. Eine Verdrahtungsinduktivität zwischen dem Emitter der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 und der Emitter-Elektrode 1d ist L1. Eine Verdrahtungsinduktivität zwischen dem Emitter der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 und einer Emitter-Hilfselektrode 1e ist L2. Eine Verdrahtungsinduktivität zwischen der Emitter-Elektrode 1d und einer Emitter-Hilfselektrode 1f ist L3. Die Konfiguration der Seite der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW2 ist ebenfalls die gleiche.
Von einer Eingangselektrode 3a aus wird ein Signal in die Gate-Treibereinheit 3 eingespeist. Elektroden 3b, 3c, 3d und 3e der Gate-Treibereinheit 3 sind mit der Kollektor-Hilfselektrode 1c, der Gate-Elektrode 1a, der Emitter-Hilfselektrode 1e bzw. der Emitter-Hilfselektrode 1f der Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 verbunden.
2 ist eine teilweise erweiterte Ansicht von 1. Die Gate-Treibereinheit 3 weist einen Gate-Treiber 6 und eine Potentialdifferenzen messende Einheit 7 auf. Der Gate-Treiber 6 stellt dem Gate der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 eine Gatespannung bereit. Die Potentialdifferenzen messende Einheit 7 misst eine Potentialdifferenz Va, die aufgrund der zwischen den Emitter-Hilfselektroden 1e und 1f auf der Emitter-Seite der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 existierenden Verdrahtungsinduktivität auftritt, für jeden Zyklus einer Ausgangsfrequenz. Die Konfiguration der Gate-Treibereinheit 4 ist ebenfalls die gleiche.
Basierend auf der Beziehung L = V * di/dt kann durch Überwachen der Potentialdifferenz Va, die aufgrund eines über die Induktivität L1 fließenden Stroms auftritt, eine Dispersion von di/dt der Vorrichtungen in einer Schaltoperation zum Einschalten oder Ausschalten genau überwacht werden.
Die Steuerschaltung 5 stellt eine durch den Gate-Treiber 6 jeder Gate-Treibereinheit 3 und 4 bereitgestellte Gatespannung VGE so ein, dass die Potentialdifferenzen Va der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 in einer Schaltoperation zum Einschalten einander gleich werden. Die Steuerschaltung 5 ist durch eine Verarbeitungsschaltung wie etwa eine CPU oder eine System-LSI realisiert, die ein in einem Speicher gespeichertes Programm ausführt. Außerdem kann eine Vielzahl von Verarbeitungsschaltungen die oben erwähnte Funktion in Zusammenarbeit durchführen.
Wie oben beschrieben wurde, werden in der vorliegenden Ausführungsform die durch die Gate-Treiber der Gate-Treibereinheiten 3 und 4 bereitgestellten Gatespannungen so eingestellt, dass die Potentialdifferenzen Va, die aufgrund der Verdrahtungsinduktivitäten L1 auf den Emitter-Seiten der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 in einer Schaltoperation zum Einschalten auftreten, einander gleich werden. Da di/dt der Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 aufeinander abgestimmt werden können, kann dadurch ein Stromungleichgewicht in einem Parallelschaltungsbetrieb unterdrückt werden, und eine Dispersion von Schaltverlusten kann unterdrückt werden.
Die Steuerschaltung 5 kann außerdem die durch die Gate-Treiber 6 der Gate-Treibereinheiten 3 und 4 bereitgestellten Gatespannungen VGE so einstellen, dass die Potentialdifferenzen Va der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 in einer Schaltoperation zum Ausschalten, nicht in einer Einschalt-Operation, einander gleich gemacht werden. Auch in diesem Fall kann der oben erwähnte Effekt erhalten werden.
Die Steuerschaltung 5 kann überdies die durch die Gate-Treiber 6 der Gate-Treibereinheiten 3 und 4 bereitgestellten Gatespannungen so einstellen, dass Zeitlagen bzw. Zeitpunkte, wenn die Potentialdifferenzen Va der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 auftreten, einander gleich werden. Dadurch kann, da Einschalt- oder Ausschaltzeitpunkte der Halbleiter-Schaltvorrichtungen aufeinander abgestimmt werden können, eine Dispersion von Schaltverlusten unterdrückt werden.
Ausführungsform 2
3 ist eine teilweise erweiterte Ansicht einer Gate-Ansteuerschaltung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Die Gate-Treibereinheit 3 weist ferner eine Kollektor-Emitter-Potentialdifferenzen messende Einheit 8 auf, welche eine Kollektor-Emitter-Spannung VCEsat, welche zwischen der Kollektor-Hilfselektrode 1c und der Emitter-Hilfselektrode 1f der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung SW1 auftritt, für jeden Zyklus der Ausgangsfrequenz misst. Die Konfiguration der Gate-Treibereinheit 4 ist ebenfalls die gleiche.
Die Steuerschaltung 5 stellt die durch die Gate-Treiber 6 der Gate-Treibereinheiten 3 und 4 bereitgestellten Gatespannungen VGE so ein, dass die Kollektor-Emitter-Spannungen VCEsat der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2, während sie kontinuierlich eingeschaltet sind, einander gleich werden. Dadurch kann eine Dispersion von Verlusten, wenn sie kontinuierlich eingeschaltet sind, unterdrückt werden.
In den Ausführungsformen 1 und 2 sind die Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 Si-Transistoren, Si-MOSFETs oder Si-IGBTs. Die Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen SW1 und SW2 ist nicht auf aus Silizium gebildete Halbleitervorrichtungen beschränkt, sondern kann stattdessen aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet sein, der eine breitere Bandlücke als diejenige von Silizium aufweist. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist zum Beispiel ein Siliziumcarbid, ein Material auf Galliumnitridbasis oder Diamant. Eine Leistungs-Halbleitervorrichtung, die aus solch einem Halbleiter mit breiter Bandlücke gebildet ist, weist eine Hochspannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann somit miniaturisiert werden. Die Verwendung solch einer miniaturisierten Halbleitervorrichtung ermöglicht die Miniaturisierung und hohe Integration des Halbleitermoduls, in welchem die Halbleitervorrichtung eingebaut ist. Da die Halbleitervorrichtung eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, kann ferner eine Abstrahlrippe eines Kühlkörpers miniaturisiert werden, und ein wassergekühlter Teil kann luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung des Halbleitermoduls führt. Da die Halbleitervorrichtung einen geringen Leistungsverlust und eine hohe Effizienz aufweist, kann ein äußerst effizientes Halbleitermodul erzielt werden.
Bezugszeichenliste
SW1, SW2 Halbleiter-Schaltvorrichtung; 3, 4 Gate-Treibereinheit; 5 Steuerschaltung; 6 Gate-Treiber; 7 Potentialdifferenzen messende Einheit; 8 Kollektor-Emitter-Potentialdifferenzen messende Einheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2012249224 A [0004]

Claims

Gate-Ansteuerschaltung, umfassend: eine Vielzahl von Gate-Treibereinheiten, die jeweils eine Vielzahl von parallel verbundenen Halbleiter-Schaltvorrichtungen ansteuern; und eine Steuerschaltung, die die Vielzahl von Gate-Treibereinheiten steuert; wobei jede Gate-Treibereinheit einen Gate-Treiber enthält, der einem Gate der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung eine Gatespannung bereitstellt, und eine Potentialdifferenzen messende Einheit, die eine Potentialdifferenz, die aufgrund einer Verdrahtungsinduktivität auf einer Emitter-Seite der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung auftritt, für jeden Zyklus einer Ausgangsfrequenz misst, und die Steuerschaltung die durch den Gate-Treiber jeder Gate-Treibereinheit bereitgestellte Gatespannung so einstellt, dass die Potentialdifferenzen der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen in einer Schaltoperation zum Einschalten oder Ausschalten einander gleich werden.
Gate-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung die durch den Gate-Treiber jeder Gate-Treibereinheit bereitgestellte Gatespannung so einstellt, dass Zeitpunkte, wenn die Potentialdifferenzen der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen auftreten, einander gleich werden.
Gate-Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Gate-Treibereinheit ferner eine Kollektor-Emitter-Potentialdifferenzen messende Einheit umfasst, die eine Kollektor-Emitter-Spannung der entsprechenden Halbleiter-Schaltvorrichtung für jeden Zyklus der Ausgangsfrequenz misst, und die Steuerschaltung die durch den Gate-Treiber jeder Gate-Treibereinheit bereitgestellte Gatespannung so einstellt, dass die Kollektor-Emitter-Spannungen der Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen, während sie kontinuierlich eingeschaltet sind, einander gleich werden.
Gate-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen Si-Transistoren, Si-MOSFETs oder Si-IGBTs sind.
Gate-Ansteuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vielzahl von Halbleiter-Schaltvorrichtungen aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke besteht.