ES2865651T3 - Circuito de excitación de puerta y procedimiento de funcionamiento del mismo - Google Patents

Circuito de excitación de puerta y procedimiento de funcionamiento del mismo Download PDF

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Abstract

Circuitería que comprende un dispositivo de conmutación de semiconductor (100) y un circuito de excitación de puerta (300) para aplicar una tensión de puerta a una puerta (212) del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), comprendiendo el dispositivo de conmutación de semiconductor (100) un transistor bipolar de puerta aislada, IGBT, (210, 220) y un diodo de rueda libre (215, 225) en paralelo con el IGBT (210, 220), comprendiendo el circuito de excitación de puerta (300): un controlador de excitación de puerta (310) que proporciona uno o más comandos de tensión para hacer funcionar el dispositivo de conmutación de semiconductor (100); una pluralidad de resistencias de puerta principales (312, 314) acopladas entre el controlador de excitación de puerta (310) y el dispositivo de conmutación de semiconductor (100); una pluralidad de resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318) conectadas con las resistencias de puerta principales (312, 314); una pluralidad de transistores principales (324, 325) conectados en serie con cada una de las resistencias de puerta principales (312, 314); y, una pluralidad de transistores secundarios (326, 327, 328, 329) conectados en serie con cada una de las resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318), en la que cada uno de los transistores principales y secundarios (324, 325, 326, 327, 328, 329) está configurado para recibir un comando de tensión respectivo (V1_ON a V4_OFF) desde el controlador de excitación de puerta (310) y proporciona un nivel de tensión correspondiente al dispositivo de conmutación de semiconductor (100) para controlar el comportamiento de conexión-desconexión del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), en la que los niveles de tensión correspondientes comprenden al menos una primera tensión (V1) y una segunda tensión (V2), estando configurada la primera tensión (V1) para conectar el dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una primera resistencia de puerta principal (312), siendo la primera tensión (V1) mayor que una tensión de umbral para el dispositivo de conmutación de semiconductor (100), estando configurada la segunda tensión (V2) para desconectar el dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una segunda resistencia de puerta principal (314), siendo la segunda tensión (V2) menor que la tensión de umbral, caracterizada por que durante la desconexión del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar una tercera tensión (V3) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una primera resistencia de puerta secundaria (316) durante un primer período de desconexión, siendo la tercera tensión (V3) menor que la primera tensión (V1) pero mayor que la segunda tensión (V2), el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar una cuarta tensión (V4) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una segunda resistencia de puerta secundaria (318) durante un segundo período de desconexión, siendo la cuarta tensión (V4) menor que la tercera tensión (V3) pero mayor que la segunda tensión (V2), correspondiendo el segundo período de desconexión a un período de tiempo de una recuperación inversa del diodo de rueda libre, durante la conexión del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar la cuarta tensión (V4) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una tercera resistencia de puerta secundaria (317) durante un primer período de conexión, y el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar la tercera tensión (V3) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una cuarta resistencia de puerta secundaria (315) durante un segundo período de conexión.

Description

DESCRIPCIÓN
Circuito de excitación de puerta y procedimiento de funcionamiento del mismo
[0001] La presente divulgación se refiere en general a circuitos de excitación de puerta para dispositivos semiconductores y, más en particular, a circuitos de excitación de puerta para dispositivos de conmutación de semiconductor.
[0002] Los dispositivos semiconductores, tales como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), se pueden usar en muchos sistemas eléctricos como elementos de conmutación electrónicos para una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, los IGBT se pueden usar en circuitos de puente de un convertidor de potencia para convertir potencia de corriente alterna (CA) en potencia de corriente continua (CC) y viceversa. El IGBT transfiere corriente en una sola dirección, por lo tanto, a menudo hay un diodo "antiparalelo" o "de rueda libre" acoplado en paralelo con el IGBT para permitir que fluya corriente en la dirección inversa. Véanse, por ejemplo, los documentos US 2009/0066402, US 2011/0133790 y EP 2811 632.
[0003] Los IGBT típicamente incluyen tres terminales, que incluyen una puerta, un colector y un emisor. El IGBT se puede hacer funcionar como un elemento de conmutación controlando la tensión puerta-emisor usando un circuito de excitación de puerta. Por ejemplo, cuando la tensión puerta-emisor supera una tensión de umbral para el IGBT, el IGBT se puede conectar de modo que puede fluir corriente a través del colector y el emisor del IGBT. Cuando la tensión puerta-emisor es menor que la tensión de umbral para el IGBT, el IGBT se puede desconectar de modo que se limita el flujo de corriente a través del colector y el emisor. Durante el funcionamiento del IGBT, es importante conectar y desconectar el IGBT rápidamente para reducir la pérdida de desconexión. Reducir la resistencia de puerta de desconexión asociada con el IGBT puede permitir que el IGBT se desconecte más rápido. Por ejemplo, la FIG. 1 ilustra un diagrama de bloques de un circuito de excitación de puerta 10 convencional para conectar y desconectar el IGBT 12. Como se muestra, el circuito de excitación de puerta 10 tiene una configuración de conexión/desconexión simple para el control del IGBT 12 por medio del controlador de excitación de puerta 22. Más específicamente, el controlador 22 envía uno o más comandos de tensión, a saber, P15 ON o N9_OFF, a uno de los transistores de efecto de campo 14, 16. Los transistores 14, 16 envían a continuación un nivel de tensión correspondiente (es decir,+15 V o -9 V) a la puerta del IGBT 12 a través de una de las resistencias 18, 20.
[0004] Durante la desconexión típica del IGBT, una capacitancia parásita de Miller colector-puerta actúa junto con la resistencia de puerta de desconexión para controlar la tasa de cambios de tensión (dv/dt) de la tensión colector-emisor. Sin embargo, una estructura de IGBT típica tiene propiedades inherentes que limitan la velocidad a la que un IGBT se puede desconectar. Más en particular, como se explica con más detalle a continuación, cuando la tensión puerta-emisor es negativa con respecto a una región de deriva del IGBT, una región de deriva contigua a una capa de óxido de puerta tiende a la inversión y se convierte en una derivación para la carga de desplazamiento desde el colector hasta el emisor a través de la derivación.
[0005] Por ejemplo, la FIG. 2 representa una pluralidad de estructuras de IGBT 100 de ejemplo que se pueden usar en una variedad de aplicaciones. Las estructuras de IGBT 100 de ejemplo se proporcionan con propósitos de ilustración y de análisis. Como se muestra, cada estructura de IGBT 100 incluye una puerta 110, un colector 120 y un emisor 130. Una capa de óxido de puerta 150 está localizada de forma contigua a la puerta 110.
[0006] Cada estructura de IGBT 100 puede incluir una región de deriva 135 donde, en condiciones de bloqueo, se acumula la mayor parte de la tensión. Para incrementar el bloqueo en el IGBT, una corriente de desplazamiento puede fluir hacia la puerta 110 a menos que la puerta 110 se polarice de manera opuesta con respecto al emisor 130, en cuyo momento esa polarización negativa forzará a los portadores de polaridad similares a salir de la región de deriva 135 alejándose de las proximidades de la capa de óxido de puerta 150. Las corrientes de desplazamiento pueden usar a continuación el canal 140 que se forma hacia el emisor 130, en lugar de usar la excitación de puerta como una forma de trasladarse hasta el emisor 130. El canal 140 que se forma proporciona una ruta o "derivación" que se conecta a una región P+ contigua al emisor 130. Tener una carga invertida en la región N cerca de la capa de óxido de puerta 150 puede crear una región de bloqueo, que hace que la corriente de la capacitancia de Miller fluya hacia el emisor 130 en lugar de la puerta 150.
[0007] La presencia de la derivación o el canal de inversión 140 puede afectar a la capacitancia de Miller del IGBT durante la desconexión. Por ejemplo, si se permite que exista la derivación de inversión 140 cuando el IGBT se está desconectando y la corriente del colector todavía fluye, se puede eludir la retroalimentación natural de la capacitancia de Miller del IGBT. Esto puede reducir el efecto de la capacitancia de Miller en la tasa de cambios de tensión (dv/dt) de la tensión colector-emisor, permitiendo que el IGBT tenga potencialmente una sobretensión de la tensión colector-emisor durante la desconexión.
[0008] Además, una conexión más rápida del IGBT puede dar lugar a un comportamiento de "bloqueo rápido" de un diodo de rueda libre acoplado en paralelo con el otro IGBT de un tramo de fase durante la recuperación inversa del diodo. El comportamiento de "bloqueo rápido" (es decir, una alta tasa de cambio (di/dt) de la corriente de recuperación inversa en el diodo) puede dar lugar a unos picos de tensión colector-emisor Vce debidos a la inductancia parásita en el circuito. Esto, a su vez, puede dar lugar a daños en el diodo y, en última instancia, causar un fallo en el circuito.
[0009] Por tanto, existe la necesidad de un circuito de excitación de puerta mejorado que pueda proporcionar un control mejorado de la tasa de cambios de tensión (dv/dt) de la tensión colector-emisor durante la desconexión del semiconductor. Más específicamente, sería útil en particular un circuito de excitación de puerta que permita el control de las tasas de cambio de tensión de la tensión colector-emisor durante un período de tiempo en el que un diodo de rueda libre está experimentando una recuperación inversa del diodo.
[0010] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden resultar evidentes a partir de la descripción, o se pueden averiguar a través de la puesta en práctica de la invención.
[0011] La presente invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.
[0012] Se pueden hacer variaciones y modificaciones a estos aspectos de ejemplo de la presente divulgación.
[0013] Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan a y forman parte de esta memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:
La FIG. 1 ilustra un ejemplo de un circuito de excitación de puerta de acuerdo con una construcción convencional; la FIG. 2 ilustra unas estructuras de IGBT de ejemplo;
la FIG. 3 ilustra un modo de realización de un circuito de puente de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 4 ilustra un modo de realización de un circuito de excitación de puerta para un IGBT de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 5 ilustra un modo de realización de una forma de onda de excitación de puerta que se puede aplicar a un controlador de excitación de puerta durante un modo de desconexión de acuerdo con la presente divulgación; la FIG. 6 ilustra un modo de realización de una forma de onda de excitación de puerta que se puede aplicar a un controlador de excitación de puerta durante un modo de conexión de acuerdo con la presente divulgación; las FIGS. 7 y 8 ilustran unos resultados de simulación para un circuito de excitación de puerta de ejemplo para un IGBT de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación; y
la FIG. 9 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento de desconexión cíclica de un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) usado en un convertidor de potencia de un sistema de generación de potencia accionado por el viento.
[0014] A continuación se hará referencia en detalle a unos modos de realización de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no como limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance o el espíritu de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para proporcionar otro modo de realización más. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.
[0015] En general, los aspectos de ejemplo de la presente divulgación están dirigidos a unos circuitos de excitación de puerta de alto rendimiento para excitar unos dispositivos de conmutación de semiconductor, tales como unos transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Más específicamente, en un modo de realización, el circuito de excitación de puerta de acuerdo con unos aspectos de la presente divulgación incluye un controlador de excitación de puerta que proporciona uno o más comandos de tensión para hacer funcionar un IGBT. El circuito de excitación de puerta también incluye una pluralidad de resistencias de puerta principales acopladas entre el controlador de excitación de puerta y el IGBT y una o más resistencias de puerta secundarias opcionales conectadas en paralelo con las resistencias de puerta principales. Además, el circuito de excitación de puerta incluye un transistor principal conectado en serie con cada una de las resistencias de la puerta principales y un transistor secundario conectado en serie con cada una de las resistencias de puerta secundarias. Por tanto, uno de los transistores principal o secundario recibe los comandos de tensión desde el controlador de excitación de puerta y proporciona uno o más niveles de tensión correspondientes al IGBT por medio de una de las resistencias de puerta principales o secundarias para controlar el comportamiento de conexión-desconexión del IGBT.
[0016] Por tanto, los circuitos de excitación de puerta de la presente divulgación pueden proporcionar un control mejorado de la tasa de cambios de tensión colector-emisor (dv/dt) y/o la tasa de cambios de corriente del colector (di/dt) durante la desconexión y la conexión del IGBT. Como resultado, los circuitos de excitación de puerta de la presente divulgación tienen tiempos de conmutación más rápidos y pérdidas de conmutación reducidas a través del uso de valores menores de resistencia de puerta. La presente divulgación se analiza con referencia a la excitación del IGBT con propósitos de ilustración y de análisis. Los expertos en la técnica, usando las divulgaciones proporcionadas en el presente documento, entenderán que determinados aspectos de la presente divulgación también son aplicables a otros dispositivos de conmutación de semiconductor.
[0017] Un ejemplo de circuito de excitación de puerta de alto rendimiento de acuerdo con unos modos de realización de la presente divulgación puede controlar la tensión de puerta aplicada a la puerta del IGBT en una o más tensiones intermedias entre la tensión de "conexión" de puerta de IGBT y la tensión de "desconexión" de puerta. Por ejemplo, el circuito de excitación de puerta puede aplicar el nivel de tensión intermedio siempre que la corriente del colector para el IGBT no es cero.
[0018] De acuerdo con unos aspectos particulares de la presente divulgación, la tensión puerta-emisor del IGBT se puede controlar en modo de señal pequeña durante la desconexión y la conexión del IGBT. Más particularmente, la tensión puerta-emisor puede estar ligeramente por debajo de la tensión umbral de modo que la corriente de dv/dt a través de la capacitancia de Miller hace que la tensión de puerta en el propio IGBT esté cerca de la tensión de umbral. Cuando el IGBT se controla en modo de señal pequeña durante la desconexión y/o la conexión, el IGBT puede ser un circuito de amortiguamiento eficaz para un diodo de rueda libre acoplado en paralelo con el IGBT que puede estar físicamente muy cerca del IGBT.
[0019] Unos aspectos de la presente divulgación se analizarán ahora con referencia a la aplicación de una primera tensión, una segunda tensión, una tercera tensión y una cuarta tensión a una puerta de un IGBT. El uso de los términos "primera", "segunda", "tercera" y "cuarta" se usan para diferenciar entre los niveles de tensión y no se usan para indicar ni una magnitud ni un orden de secuencia de las tensiones aplicadas a la puerta del IGBT.
[0020] Más en particular, el controlador de excitación de puerta del circuito de excitación de puerta de acuerdo con un modo de realización de ejemplo de la presente divulgación está configurado para aplicar una primera tensión por encima de la tensión de umbral del IGBT a la puerta del IGBT para conectar el IGBT y aplicar una segunda tensión por debajo de la tensión de umbral del IGBT a la puerta del IGBT para desconectar el IGBT. La segunda tensión puede ser la más baja de todas las tensiones aplicadas a la puerta del IGBT. Cuando se aplica la primera tensión o la segunda tensión a la puerta del IGBT, el IGBT se utiliza en modo de señal grande, que causa eficazmente la conexión completa del IGBT durante la aplicación de la primera tensión o su desconexión completa durante la aplicación de la segunda tensión.
[0021] Durante la desconexión del IGBT, el IGBT se puede controlar en modo de señal pequeña de modo que la tensión puerta-emisor del IGBT esté cerca de la tensión de umbral. Más en particular, el controlador de excitación de puerta puede aplicar una tercera tensión a la puerta del IGBT para controlar la dv/dt de la tensión colectoremisor y la di/dt de la corriente del colector durante un primer período de desconexión. La tercera tensión puede ser una tensión positiva que es menor que la primera tensión y mayor que la segunda tensión.
[0022] Además, se puede aplicar una cuarta tensión a la puerta del IGBT durante un segundo período de desconexión que es posterior al primer período de desconexión. La cuarta tensión puede ser menor que la tercera tensión y mayor que la segunda tensión. El segundo período de desconexión puede corresponder a un período de recuperación inversa de un diodo de rueda libre acoplado en paralelo con el IGBT. La cuarta tensión puede proporcionar protección al diodo durante la recuperación inversa. Por ejemplo, la cuarta tensión se puede aplicar para proteger el diodo contra la tensión inversa transitoria como resultado del comportamiento de "bloqueo rápido" del diodo. La cuarta tensión se puede establecer para permitir una dv/dt de diodo normal de la tensión colectoremisor más un margen, de modo que solo la dv/dt alta que se produce durante el "bloqueo rápido" esté limitada por el bucle de retroalimentación de la capacitancia de Miller en el IGBT. De forma similar, durante la conexión del IGBT, el IGBT también se puede controlar en modo de señal pequeña de modo que la tensión puerta-emisor del IGBT esté cerca de la tensión de umbral.
[0023] Con referencia a las FIGS. 3-9, se analizarán ahora en detalle unos modos de realización de ejemplo de la presente divulgación. La FIG. 3 ilustra un circuito de puente 200 de ejemplo que se puede usar, por ejemplo, en un convertidor de potencia de un sistema de generación de potencia accionado por el viento. Por tanto, a un nivel de sistema, el circuito de puente de la presente divulgación puede proporcionar una eficacia y/o fiabilidad incrementada de convertidor y/o sistema, una salida de potencia incrementada para el convertidor y/o sistema de potencia y/o un margen incrementado de temperatura de unión del IGBT. En consecuencia, el circuito de excitación de puente/puerta de la presente divulgación puede funcionar a través de un transitorio de tensión de línea sin disparos ni fallos, proporcionando de este modo mejores capacidades de respuesta ante averías del sistema de generación de potencia accionado por viento.
[0024] Como se muestra, el circuito de puente 200 incluye un primer IGBT 210 (por ejemplo, un IGBT "superior") y un segundo IGBT 220 (por ejemplo, un IGBT "inferior"). El primer IGBT 210 puede incluir una puerta 212, un colector 214 y un emisor 216. De forma similar, el segundo IGBT 220 puede incluir una puerta 222, un colector 224 y un emisor 226. Un primer diodo de rueda libre 215 puede estar acoplado en paralelo con el primer IGBT 210. Un segundo diodo de rueda libre 225 puede estar acoplado en paralelo con el segundo IGBT 220. El primer diodo de rueda libre 215 y el segundo diodo de rueda libre 225 pueden presentar características de recuperación inversa cuando se conmuta de un estado de conducción a un estado de bloqueo. Más en particular, cuando se cambia de un estado de conducción a un estado de bloqueo, una gran corriente puede fluir a través del diodo en la dirección inversa durante un corto tiempo hasta que se agota una carga de recuperación inversa.
[0025] El circuito de puente 200 también puede incluir un circuito de excitación de puerta 300. El circuito de excitación de puerta 300 puede controlar las tensiones puerta-emisor de las respectivas puertas del primer IGBT 210 y el segundo IGBT 220 para controlar la conmutación del primer IGBT 210 y el segundo IGBT 220. Por ejemplo, el circuito de excitación de puerta 300 puede proporcionar comandos de modulación de anchura de impulsos (PWM) al primer IGBT 210 y al segundo IGBT 220 para convertir una potencia de corriente alterna en la entrada 230 del circuito de puente 200 en una potencia de corriente continua o viceversa.
[0026] La FIG. 4 representa un circuito de excitación de puerta de ejemplo 300 de acuerdo con un modo de realización de ejemplo de la presente divulgación. El circuito de excitación de puerta 300 se analizará con referencia al control de una tensión puerta-emisor del primer IGBT 210. El circuito de excitación de puerta 300 puede estar configurado para controlar la tensión puerta-emisor de unos IGBT adicionales, tales como el segundo IGBT 220 mostrado en la FIG. 3. Como se muestra, el circuito de excitación de puerta 300 incluye un controlador de excitación de puerta 310 que está configurado para proporcionar uno o más comandos de tensión por medio de una de las resistencias de puerta 312, 314, 315, 316, 317, 318 a la puerta 212 del IGBT 210 a controlar el funcionamiento del IGBT 210. Además, el controlador de excitación de puerta 310 puede incluir uno o más dispositivos o circuitos de control, tales como uno o más controladores, microprocesadores, dispositivos lógicos, unidades de memoria, microcontroladores u otros dispositivos de control. Además, el controlador de excitación de puerta 310 puede recibir comandos (por ejemplo, comandos de PWM) o señales de la puerta desde otros controladores del sistema, tales como un controlador para un sistema de generación de potencia en el que se usa el circuito de excitación de puerta 300.
[0027] En un modo de realización ejemplar, el controlador de excitación de puerta 310 puede incluir uno o más procesadores y uno o más medios legibles por ordenador. El uno o más procesadores pueden estar configurados para ejecutar instrucciones legibles por ordenador almacenadas en el uno o más medios legibles por ordenador para hacer que el controlador de excitación de puerta 310 realice operaciones, tales como aplicar un nivel de tensión a la puerta 212 del IGBT 210 de acuerdo con unos aspectos de ejemplo de la presente divulgación.
[0028] Más específicamente, como se muestra en la FIG. 4, el circuito de excitación de puerta 300 puede incluir una pluralidad de transistores principales 324, 325 acoplados entre el controlador de excitación de puerta 310 y el IGBT 210 y una pluralidad de resistencias de puerta principales 312, 314 conectadas en serie con cada uno de los transistores principales 324, 325. Además, el circuito de excitación de puerta 300 puede incluir uno o más transistores secundarios (por ejemplo, 326, 327, 328, 329) conectados en paralelo con las resistencias de puerta principales 312, 314. Por tanto, en determinados modos de realización, el circuito de excitación de puerta 300 también puede incluir opcionalmente una o más resistencias de puerta secundarias 315, 316, 317, 318 conectadas en serie con cada uno de los transistores secundarios 326, 327, 328, 329 y, en paralelo, con las resistencias de puerta principales 312, 314.
[0029] Se debe entender que los transistores principales y secundarios 324, 325, 326, 327, 328, 329 pueden ser unos transistores cualesquiera adecuados conocidos en la técnica. Por ejemplo, en determinados modos de realización, los transistores 324, 325, 326, 327, 328, 329 pueden ser transistores de efecto de campo metal-óxidosemiconductor (MOSFET). Por tanto, como se muestra, cada uno de los MOSFET secundarios 326, 327, 328, 329 puede incluir al menos un diodo 330, 332, 334, 336 conectado en serie con el mismo, ya que los MOSFET 326, 327, 328, 329 siempre conducen corriente en la dirección inversa. Por tanto, uno de los transistores principales o secundarios 324, 325, 326, 327, 328, 329 está configurado para recibir un comando de tensión (por ejemplo, V1_ON, V2_O f F, V3_ON, V3_Of F, V4_ON y V4_OFF) desde el controlador de excitación de puerta 310 y proporcionar un nivel de tensión correspondiente al IGBT 210 por medio de una de las resistencias de puerta principales o secundarias 312, 314, 315, 316, 317, 318 para controlar el comportamiento de conexión y desconexión del IGBT 210.
[0030] De acuerdo con unos aspectos particulares de la presente divulgación, el controlador de excitación de puerta 310 puede proporcionar cuatro niveles de tensión diferentes a la puerta 212 del IGBT 210 por medio de las resistencias de puerta principales o secundarias 312, 314, 315, 316, 317, 318. Los cuatro niveles de tensión diferentes corresponden a diferentes modos de funcionamiento del IGBT 210. Por ejemplo, un primer modo de funcionamiento puede ser un modo de funcionamiento "IGBT conectado" del IGBT 210. Más específicamente, como se muestra en la FIG. 4, uno de los niveles de tensión puede incluir una primera tensión (por ejemplo, V1) configurada para conectar el IGBT 210 por medio de la primera resistencia de puerta principal 312. El modo de IGBT conectado puede corresponder a un período de tiempo en el que el IGBT 210 está conectado de modo que la corriente fluye a través del colector 214 y el emisor 216 del IGBT 210. Por tanto, durante el modo de IGBT conectado, el controlador de excitación de puerta 310 puede enviar el comando de tensión (por ejemplo, V1_ON) al primer transistor principal 324 de modo que la primera tensión V1 se aplica a la puerta 212 del IGBT 210 en modo de señal grande. La primera tensión V1 puede ser suficientemente mayor que la tensión de umbral para el IGBT 210 de modo que el IGBT 210 está completamente conectado. Por ejemplo, la primera tensión V1 puede estar en el intervalo de aproximadamente 10 V a aproximadamente 15 V, tal como aproximadamente 15 V. Como se usa en el presente documento, el término "aproximadamente" usado en relación con un valor especificado se pretende referir a dentro del 20 % del valor especificado.
[0031] Un segundo modo de funcionamiento puede ser un modo de funcionamiento "IGBT desconectado" del IGBT 210. Más específicamente, como se muestra en la FIG. 4, uno de los niveles de tensión puede incluir una segunda tensión (por ejemplo, V2) configurada para desconectar el IGBT 210 por medio de la segunda resistencia de puerta principal 314. El modo de IGBT desconectado puede corresponder a un período de tiempo en el que el IGBT 210 se desconecta de modo que la corriente que fluye a través del colector 214 y el emisor 216 del IGBT 210 es limitada. Durante el modo de IGBT desconectado, el controlador de excitación de puerta 310 puede enviar el comando de tensión (por ejemplo, V2_OFF) al segundo transistor principal 325 de modo que la segunda tensión (por ejemplo, V2) se aplica a la puerta 212 del IGBT 210 en modo de señal grande. La segunda tensión V2 puede ser suficientemente menor que la tensión de umbral para el IGBT 210 de modo que el IGBT está completamente desconectado. Por ejemplo, la segunda tensión V2 puede estar en el intervalo de aproximadamente -2 V a aproximadamente -9 V, tal como aproximadamente -9 V.
[0032] Durante la desconexión del IGBT 210 (por ejemplo, la transición del modo de IGBT conectado al modo de IGBT desconectado), el controlador de excitación de puerta 310 puede controlar el IGBT 210 en modo de señal pequeña controlando la tensión puerta-emisor del IGBT 210 para que esté cerca de la tensión de umbral. Más en particular, el controlador de excitación de puerta 310 puede hacer funcionar el IGBT 210 en un modo de desactivación de IGBT durante un primer período de tiempo de desconexión. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 4, el controlador de excitación de puerta 310 puede estar configurado para enviar un comando de tensión (por ejemplo, V3_OFF) al segundo transistor secundario 327. El segundo transistor secundario 327 puede proporcionar a continuación un nivel de tensión V3 correspondiente al IGBT 210 por medio de la segunda resistencia de puerta secundaria 316. La tercera tensión (por ejemplo, V3) puede ser una tensión cercana a la tensión de umbral para controlar el IGBT 210 en modo de señal pequeña, tal como una tensión positiva (por ejemplo, una tensión mayor que 0 V) que es menor que la primera tensión y mayor que la segunda tensión. Por ejemplo, la tercera tensión puede estar en el intervalo de aproximadamente 0 V a aproximadamente 8 V, tal como aproximadamente 6 V. El controlador de excitación de puerta 310 puede hacer funcionar el IGBT 210 en un modo de desconexión de IGBT mientras una corriente de colector distinta de cero Ic fluye en el colector 214 del IGBT 210 para reducir la dv/dt de la tensión colector-emisor Vce durante la desconexión. La reducción de dv/dt puede limitar los picos de tensión en la tensión colector-emisor Vce.
[0033] Después del primer período de desconexión, el controlador de excitación de puerta 310 puede hacer la transición al funcionamiento del IGBT 210 en un modo de recuperación de diodo durante un segundo período de tiempo de desconexión. El modo de recuperación de diodo puede corresponder a un período de tiempo de recuperación inversa de diodo del diodo de rueda libre 215 acoplado en paralelo con el IGBT 210 (FIG. 3). Durante el modo de recuperación de diodo, el controlador de excitación de puerta 310 puede estar configurado para enviar un comando de tensión (por ejemplo, V4_OFF) al cuarto transistor secundario 329. El cuarto transistor secundario 329 puede proporcionar a continuación un nivel de tensión correspondiente (por ejemplo, V4) al IGBT 210 por medio de la cuarta resistencia de puerta secundaria 318. La cuarta tensión puede ser una tensión cercana a la tensión de umbral del IGBT 210 para controlar el IGBT 210 en modo de señal pequeña, tal como una tensión positiva (por ejemplo, una tensión mayor que 0 V) que es menor que la tercera tensión y mayor que la segunda tensión. Por ejemplo, la cuarta tensión puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 V a aproximadamente 5 V, tal como aproximadamente 1 V. La cuarta tensión se puede aplicar durante un tiempo suficiente para que el diodo de rueda libre 215 agote su carga de recuperación inversa, en cuyo momento el controlador de excitación de puerta 310 puede aplicar la segunda tensión para hacer funcionar el IGBT 210 en el modo de IGBT desconectado.
[0034] Durante la conexión del IGBT 210 (por ejemplo, la transición del modo de IGBT desconectado al modo de IGBT conectado), el controlador de excitación de puerta 310 también puede controlar el IGBT 210 en modo de señal pequeña controlando la tensión puerta-emisor del IGBT 210 para que esté cerca de la tensión de umbral. Más en particular, el controlador de excitación de puerta 310 puede hacer funcionar el IGBT 210 en un modo "conexión de IGBT", por ejemplo, enviando uno o más comandos de tensión intermedios (por ejemplo, V4_ON y V3_ON) al tercer transistor secundario 328 y a continuación al primer transistor secundario 326, consecutivamente. Por ejemplo, como primera etapa, el controlador de excitación de puerta 310 puede proporcionar el comando de tensión (por ejemplo, V4_ON) al tercer transistor secundario 328. El tercer transistor secundario 328 puede proporcionar a continuación un nivel de tensión correspondiente (por ejemplo, V4) al IGBT 210 por medio de la tercera resistencia de puerta secundaria 317. Como se ha mencionado, la tensión V4 puede estar cerca de la tensión de umbral para controlar el IGBT 210 en modo de señal pequeña, tal como una tensión positiva que es menor que la tercera tensión y mayor que la segunda tensión. Por ejemplo, como se ha mencionado, la tensión V4 puede estar en el intervalo de aproximadamente 1 V a aproximadamente 5 V, tal como aproximadamente 1 V. A continuación, el controlador de excitación de puerta 310 puede proporcionar otro comando de tensión (por ejemplo, V3_ON) al primer transistor secundario 326. El primer transistor secundario 326 puede proporcionar a continuación un nivel de tensión correspondiente (por ejemplo, V3) al IGBT 210 por medio de la primera resistencia de puerta secundaria 315. La FIG. 6 ilustra un modo de realización de la tensión puerta-emisor (Vge) 510 del IGBT 210 y la correspondiente tensión colector-emisor (Vce) 520 durante el modo de IGBT conectado.
[0035] La FIG. 5 representa una representación gráfica de una forma de onda de tensión 410 aplicada por el controlador de excitación de puerta 310 durante la desconexión del IGBT 210. La forma de onda 410 representa la tensión aplicada por el controlador de excitación de puerta 310 a la puerta 212 del IGBT 210. Como se muestra, el controlador de excitación de puerta 310 puede aplicar una primera tensión (por ejemplo, V1) desde el tiempo tü hasta el tiempo t 1 para hacer funcionar el IGBT 210 en un modo de IGBT conectado. El controlador de excitación de puerta 310 puede aplicar una segunda tensión (por ejemplo, V2) después de un tiempo t3 para hacer funcionar el IGBT 210 en un modo de IGBT desconectado. Entre el modo de IGBT conectado y el modo de IGBT desconectado, el controlador de excitación de puerta 310 puede aplicar una tercera tensión (por ejemplo, V3) a la puerta 212 del IGBT 210 para hacer funcionar el IGBT 210 en un modo de desconexión de IGBT para un primer período de desconexión desde el tiempo t 1 hasta el tiempo t2. Después del primer período de desconexión, el controlador de excitación de puerta 310 puede aplicar una cuarta tensión (por ejemplo, V4) a la puerta 212 del IGBT 210 para hacer funcionar el IGBT 210 en un modo de recuperación de diodo durante un segundo período de desconexión desde el tiempo t2 hasta el tiempo t3.
[0036] La FIG. 5 representa además dos casos de tensión colector-emisor (Vce) que son el resultado de una excitación del IGBT 210 de acuerdo con una forma de onda 410. La forma de onda 420 representa Vce para la corriente que fluye en el IGBT 210 (corriente de colector directa Ic). La forma de onda 430 representa Vce para la corriente que fluye en el diodo de rueda libre 215 acoplado en paralelo con el IGBT 210 (corriente de colector inversa Ic). La transición entre el primer período de desconexión correspondiente al modo de desconexión de IGBT y el segundo período de desconexión correspondiente al modo de recuperación de diodo se produce en el tiempo de transición t2. El tiempo de transición t2 puede corresponder a un tiempo en el que se empieza a producir la recuperación inversa del diodo. Por ejemplo, en el circuito de puente 200 de ejemplo representado en la FIG. 3, el tiempo de transición t2 se puede producir cuando el otro IGBT del circuito de puente 200 se conecta. Por ejemplo, si el diodo de rueda libre 215 está en conducción, el tiempo de transición t2 se puede producir cuando el segundo IGBT 220 se conecta. Si el diodo de rueda libre 225 está en conducción, el tiempo de transición t2 se puede producir cuando el primer IGBT 210 se conecta.
[0037] En un modo de realización de ejemplo, el controlador de excitación de puerta 310 puede estar configurado para hacer una transición entre el primer período de desconexión y el segundo período de desconexión en un tiempo predeterminado. Más en particular, la duración del período de modo de desconexión de IGBT puede ser un valor fijo determinado en base al tiempo de desconexión más largo del IGBT 210. El tiempo de transición t2 puede ser un valor predeterminado basado en la duración del período de modo de desconexión de IGBT. La duración del período del modo de recuperación de diodo también puede ser un valor fijo determinado en base al período más largo de recuperación inversa del diodo de rueda libre 215 acoplado en paralelo con el IGBT 210.
[0038] En otros modos de realización de ejemplo, la duración del primer período de desconexión correspondiente al modo de desconexión de IGBT y la duración del segundo período de desconexión correspondiente al modo de recuperación de diodo se pueden determinar en base a los parámetros supervisados del sistema. Por ejemplo, el controlador de excitación de puerta 310 puede estar configurado para hacer una transición del primer período de desconexión al segundo período de desconexión en base al menos en parte en una señal indicativa de que se está conectando el otro IGBT 220 en el circuito de puente 200.
[0039] Como otro ejemplo, el controlador de excitación de puerta 310 puede controlar la duración del primer período de desconexión y la duración del segundo período de desconexión en base al menos en parte a la corriente de colector Ic del IGBT 210. Por ejemplo, el controlador de excitación de puerta 310 puede supervisar la corriente de colector Ic usando un sensor de corriente adecuado. El controlador de excitación de puerta 310 puede estar configurado para aplicar una tercera tensión durante un período de tiempo determinado, mientras que la corriente de colector Ic no es cero. El controlador de excitación de puerta 310 puede estar configurado para hacer una transición entre el primer período de desconexión y el segundo período de desconexión en base al menos en parte a la dirección de la corriente de colector Ic (por ejemplo, si la corriente de colector es positiva o negativa). El controlador de excitación de puerta 310 puede controlar la tensión puerta-emisor del IGBT 210 en base a otros parámetros supervisados adecuados, tales como temperatura, corriente de colector, tensión de bus de CC, di/dt de corriente de colector, dv/dt de tensión colector-emisor y otras implementaciones adecuadas.
[0040] En otro ejemplo más, la transición entre la tercera tensión y la cuarta tensión se puede producir al menos en parte como resultado de una terminación de una corriente de meseta de Miller resultante de la terminación de la dv/dt de desconexión del IGBT 210. Más en particular, durante la desconexión del IGBT 210. Más en particular, se puede extraer una corriente de meseta de Miller resultante de la dv/dt del IGBT 210 durante la desconexión del transistor durante la aplicación de la tercera tensión. Cuando la dv/dt del IGBT 210 ha terminado, la tensión de meseta de Miller ya no puede alimentar la puerta del IGBT 210, lo que da como resultado una transición a la cuarta tensión. Cuando la tensión de meseta de Miller puede aceptar y generar corriente cerca de la tensión de umbral de puerta, esta se puede usar para crear la tercera o cuarta tensión.
[0041] Las FIGS. 7 y 8 representan resultados de simulación para un circuito de excitación de puerta de ejemplo para un IGBT de acuerdo con un modo de realización de la presente divulgación. La forma de onda 610 representa la tensión aplicada por un controlador de excitación de puerta de ejemplo a la puerta de un IGBT. Como se muestra, el controlador de excitación de puerta puede aplicar una tensión de aproximadamente 15 V cuando el IGBT está conectado, una tensión de aproximadamente 6 V para el primer período de desconexión, una tensión de aproximadamente 1 V para el segundo período de desconexión y una tensión de aproximadamente -9V cuando el IGBT está desconectado.
[0042] La forma de onda 620 de la FIG. 7 representa la tensión colector-emisor Vce asociada con una corriente de colector de flujo directo (por ejemplo, corriente en el IGBT) durante la desconexión. La forma de onda 630 de la FIG. 7 representa una corriente del colector Ic para una corriente de colector de flujo directo. La forma de onda 640 de la FIG. 8 representa la tensión colector-emisor Vce asociada con una corriente de colector de flujo inverso (por ejemplo, corriente en un diodo de rueda libre) durante una desconexión. La forma de onda 650 de la FIG. 8 representa la corriente de colector Ic para una corriente de colector de flujo inverso. Como se demuestra, el controlador de excitación de puerta hace la transición desde el primer período de desconexión en el que se aplican 6 V hasta un segundo período de desconexión en el que se aplica 1 V para la recuperación inversa del diodo cuando la corriente del colector llega aproximadamente a cero. La tensión colector-emisor presenta buenas características de dv/dt sin ninguna condición de sobretensión significativa. La corriente del colector Ic también presenta buenas características de di/dt durante el primer y segundo períodos de desconexión.
[0043] En referencia ahora con la FIG. 9, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 900 de desconexión cíclica de IGBT usado en un convertidor de potencia de un sistema de generación de potencia accionado por el viento. Como se muestra en 902, el procedimiento 900 incluye aplicar una primera tensión por medio de una primera resistencia de puerta principal a una puerta del IGBT para conectar el IGBT, siendo la primera tensión mayor que una tensión de umbral para el IGBT. En 904, el procedimiento 900 incluye recibir una señal de desconexión para desconectar el IGBT. Durante la desconexión del IGBT, el procedimiento 900 incluye además aplicar una o más tensiones intermedias cerca de la tensión de umbral por medio de una pluralidad de resistencias de puerta secundarias para controlar el IGBT en modo de señal pequeña (etapa 906). En 908, el procedimiento 900 también incluye aplicar una segunda tensión por medio de una segunda resistencia de puerta principal a la puerta del IGBT para desconectar el IGBT, siendo la segunda tensión menor que la tensión de umbral. Posteriormente, el procedimiento 900 también puede incluir recibir una señal de conexión para conectar el IGBT (etapa 910). Por tanto, durante la conexión del IGBT, el procedimiento 900 también puede incluir aplicar la una o más tensiones intermedias en un orden opuesto por medio de la una o más resistencias de puerta secundarias para controlar el IGBT en modo de señal pequeña (etapa 912).
[0044] En esta descripción escrita se usan ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para permitir que cualquier experto en la técnica lleve a la práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones y puede incluir otros ejemplos concebidos por los expertos en la técnica. Dichos otros ejemplos pretenden estar dentro del alcance de las reivindicaciones si incluyen elementos estructurales que no difieren del lenguaje literal de las reivindicaciones, o si incluyen elementos estructurales equivalentes con diferencias insustanciales respecto del lenguaje literal de las reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Circuitería que comprende un dispositivo de conmutación de semiconductor (100) y un circuito de excitación de puerta (300) para aplicar una tensión de puerta a una puerta (212) del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), comprendiendo el dispositivo de conmutación de semiconductor (100) un transistor bipolar de puerta aislada, IGBT, (210, 220) y un diodo de rueda libre (215, 225) en paralelo con el IGBT (210, 220), comprendiendo el circuito de excitación de puerta (300):
un controlador de excitación de puerta (310) que proporciona uno o más comandos de tensión para hacer funcionar el dispositivo de conmutación de semiconductor (100);
una pluralidad de resistencias de puerta principales (312, 314) acopladas entre el controlador de excitación de puerta (310) y el dispositivo de conmutación de semiconductor (100);
una pluralidad de resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318) conectadas con las resistencias de puerta principales (312, 314);
una pluralidad de transistores principales (324, 325) conectados en serie con cada una de las resistencias de puerta principales (312, 314); y,
una pluralidad de transistores secundarios (326, 327, 328, 329) conectados en serie con cada una de las resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318),
en la que cada uno de los transistores principales y secundarios (324, 325, 326, 327, 328, 329) está configurado para recibir un comando de tensión respectivo (V1_ON a V4_OFF) desde el controlador de excitación de puerta (310) y proporciona un nivel de tensión correspondiente al dispositivo de conmutación de semiconductor (100) para controlar el comportamiento de conexión-desconexión del dispositivo de conmutación de semiconductor (100),
en la que los niveles de tensión correspondientes comprenden al menos una primera tensión (V1) y una segunda tensión (V2), estando configurada la primera tensión (V1) para conectar el dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una primera resistencia de puerta principal (312), siendo la primera tensión (V1) mayor que una tensión de umbral para el dispositivo de conmutación de semiconductor (100), estando configurada la segunda tensión (V2) para desconectar el dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una segunda resistencia de puerta principal (314), siendo la segunda tensión (V2) menor que la tensión de umbral,
caracterizada por que
durante la desconexión del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar una tercera tensión (V3) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una primera resistencia de puerta secundaria (316) durante un primer período de desconexión, siendo la tercera tensión (V3) menor que la primera tensión (V1) pero mayor que la segunda tensión (V2),
el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar una cuarta tensión (V4) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una segunda resistencia de puerta secundaria (318) durante un segundo período de desconexión, siendo la cuarta tensión (V4) menor que la tercera tensión (V3) pero mayor que la segunda tensión (V2), correspondiendo el segundo período de desconexión a un período de tiempo de una recuperación inversa del diodo de rueda libre,
durante la conexión del dispositivo de conmutación de semiconductor (100), el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar la cuarta tensión (V4) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una tercera resistencia de puerta secundaria (317) durante un primer período de conexión, y
el controlador de excitación de puerta (310) está configurado además para aplicar la tercera tensión (V3) a la puerta del dispositivo de conmutación de semiconductor (100) por medio de una cuarta resistencia de puerta secundaria (315) durante un segundo período de conexión.
2. La circuitería de la reivindicación 1, en la que al menos un transistor secundario (326, 327, 328, 329) está conectado en serie con cada una de las resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318).
3. La circuitería de la reivindicación 1, en la que los transistores principales y secundarios (324, 325, 326, 327, 328, 329) comprenden un transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor, MOSFET.
4. La circuitería de la reivindicación 3, en la que el circuito de excitación de puerta (300) comprende además al menos un diodo (330, 332, 334, 336) conectado en serie con los MOSFET secundarios (324, 325, 326, 327, 328, 329).
5. Un circuito de puente (200) usado en un convertidor de potencia de un sistema de potencia, comprendiendo el circuito de puente (200):
la circuitería como se define en cualesquiera reivindicaciones precedentes; y
un segundo IGBT (220) acoplado en serie con el IGBT (210).
6. El circuito de puente (200) de la reivindicación 5, en el que el circuito de excitación de puerta (300) está configurado para controlar una duración del primer período de desconexión y una duración del segundo período de desconexión en base al menos en parte a una corriente de colector (Ic) del IGBT (210) y/o una derivada temporal de una tensión colector-emisor del IGBT (210).
7. Un procedimiento (900) de desconexión cíclica de un transistor bipolar de puerta aislada, IGBT, (210) usado en un convertidor de potencia de un sistema de generación de potencia accionado por viento, comprendiendo el procedimiento (900):
aplicar una primera tensión (V1) por medio de una primera resistencia de puerta principal (312) a una puerta (212) del IGBT (210) para conectar el IGBT (210), siendo la primera tensión (V1) mayor que una tensión de umbral para el IGBT (210);
recibir una señal de desconexión para desconectar el IGBT (210); y,
después de recibir la señal de desconexión, aplicar una segunda tensión (V2) por medio de una segunda resistencia de puerta principal (314) a la puerta del IGBT (210) para desconectar el IGBT (210), siendo la segunda tensión (V2) menor que la tensión de umbral;
caracterizado por que durante la desconexión del IGBT (210), el procedimiento comprende además aplicar una tercera tensión (V3) por medio de una primera resistencia de puerta secundaria (316) de una pluralidad de resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318), y una cuarta tensión (V4) por medio de una segunda resistencia de puerta secundaria (318) de la pluralidad de resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318) para controlar el IGBT (210) en modo de señal pequeña, aplicándose la cuarta tensión durante un período de tiempo de una recuperación inversa de un diodo de rueda libre (215) acoplado en paralelo con el IGBT (210), siendo la tercera tensión (V3) menor que la primera tensión (V1) pero mayor que la segunda tensión (V2), siendo la cuarta tensión (V4) menor que la tercera tensión (V3) pero mayor que la segunda tensión (V2), y
durante la conexión del IGBT (210), el procedimiento comprende además aplicar la tercera tensión (V3) por medio de una cuarta resistencia de puerta secundaria (315) de la pluralidad de resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318), y la cuarta tensión (V4) de la pluralidad de resistencias de puerta secundarias (315, 316, 317, 318) por medio de una tercera resistencia de puerta secundaria (315) en un orden opuesto para controlar el IGBT (210) en modo de señal pequeña.
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