RU2718412C1 - Управляющее устройство для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом, полупроводниковый модуль, а также способ - Google Patents

Управляющее устройство для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом, полупроводниковый модуль, а также способ Download PDF

Info

Publication number
RU2718412C1
RU2718412C1 RU2019119856A RU2019119856A RU2718412C1 RU 2718412 C1 RU2718412 C1 RU 2718412C1 RU 2019119856 A RU2019119856 A RU 2019119856A RU 2019119856 A RU2019119856 A RU 2019119856A RU 2718412 C1 RU2718412 C1 RU 2718412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
value
circuit element
power semiconductor
control device
Prior art date
Application number
RU2019119856A
Other languages
English (en)
Inventor
Юрген БЕМЕР
Рюдигер КЛЕФФЕЛЬ
Эберхард Ульрих КРАФФТ
Андреас НАГЕЛЬ
Ян ВАЙГЕЛЬ
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Application granted granted Critical
Publication of RU2718412C1 publication Critical patent/RU2718412C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/168—Modifications for eliminating interference voltages or currents in composite switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/04126—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in bipolar transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/0414—Anti-saturation measures
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/042—Modifications for accelerating switching by feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0422—Anti-saturation measures
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H03K17/161—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches
    • H03K17/162—Modifications for eliminating interference voltages or currents in field-effect transistor switches without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/163—Soft switching

Landscapes

  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Изобретение относится к управляющему устройству (2) для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом (1). Технический результат – возможность эффективного отключения биполярного переключаемого силового полупроводникового схемного элемента (1). Для этого управляющее устройство (2) предназначено для отключения силового полупроводникового схемного элемента (1) так, что электрическое напряжение (U) сначала снижается от первого значения (U) напряжения до значения (U) выхода из режима насыщения, и затем электрическое напряжение (U) снижается от значения (U) выхода из режима насыщения до второго значения (U) напряжения, причем значение (U) выхода из режима насыщения является более высоким, чем напряжение (U) отсечки силового полупроводникового схемного элемента (1). 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к управляющему устройству для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом, причем управляющее устройство предназначено для подведения электрического напряжения на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента, и для снижения электрического напряжения для отключения силового полупроводникового схемного элемента от первого значения напряжения до второго значения напряжения. Кроме того, настоящее изобретение относится к полупроводниковому модулю с таким управляющим устройством. Наконец, настоящее изобретение относится к способу управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом.
В данный момент интерес представляют биполярные переключаемые и, соответственно, отключаемые силовые полупроводниковые схемные элементы. В частности, такой биполярный переключаемый силовой полупроводниковый схемный элемент может представлять собой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT). При отключении биполярных переключаемых силовых полупроводниковых схемных элементов очищаются необходимые для протекания тока носители заряда. При этом при отключении традиционных и способных к обратной проводимости IGBT вследствие очистки носителей заряда возникают электрические поля с высокой напряженностью. Вследствие воздействия этих высоких напряженностей поля силовой полупроводниковый схемный элемент не может быть отключен как угодно быстро. Кроме того, ограничивается скорость нарастания электрического напряжения на силовых контактах в первую очередь вследствие технических характеристик нагрузки. Как концентрация носителей заряда в силовом полупроводниковом схемном элементе, так и скорость переключения оказывают влияние на потери при выключении силового полупроводникового схемного элемента. Скорость переключения - будучи ограниченной вследствие соблюдаемого безопасного рабочего диапазона - для минимизации потерь настраивается настолько высокой, насколько возможно. Обычно это выполняется путем надлежащего выбора высоты разрядного тока на затворе.
Затвор включенного силового полупроводникового схемного элемента нагружен электрическим напряжением с первым значением напряжения. При отключении силового полупроводникового схемного элемента затвор разряжается через резистор до электрического напряжения со вторым значением напряжения. То есть, электрическое напряжение снижается от первого значения напряжения до второго значения напряжения. При этом переход от проводящего состояния с высокой концентрацией носителей заряда в обесточенное состояние сопровождается сравнительно высокими потерями мощности при выключении.
Патентный документ DE 39 05 645 А1 раскрывает способ управления для улучшения характеристики максимального тока при отключении силовых полупроводниковых переключателей с MOS-входом управления (металл-оксидным полупроводниковым транзистором). Кроме того, патентный документ DE 102 06 392 А1 раскрывает способ и устройство для оптимизации процесса отключения незапираемого отключаемого силового полупроводникового переключателя. Наконец, патентный документ DE 10 2015 220 594 А1 раскрывает полупроводниковое приводное устройство и выпрямитель тока, в котором оно применяется.
Задачей настоящего изобретения является нахождение решения, как можно более эффективно отключать биполярный переключаемый силовой полупроводниковый схемный элемент вышеуказанного типа.
Эта задача решается согласно изобретению посредством управляющего устройства, полупроводникового модуля, а также способа с признаками согласно данным независимым пунктам формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования настоящего изобретения представляют собой предмет зависимых пунктов формулы изобретения.
Соответствующее изобретению управляющее устройство служит для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом. При этом управляющее устройство предназначено для подведения электрического напряжения на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента, и для снижения электрического напряжения для отключения силового полупроводникового схемного элемента от первого значения напряжения до второго значения напряжения. Кроме того, управляющее устройство предназначено для того, чтобы для отключения силового полупроводникового схемного элемента снижать электрическое напряжение от первого значения напряжения сначала до значения выхода из режима насыщения, и затем снижения электрического напряжения от значения выхода из режима насыщения до второго значения напряжения, причем значение выхода из режима насыщения является более высоким, чем напряжение отсечки силового полупроводникового схемного элемента.
С помощью управляющего устройства можно управлять биполярным переключаемым и, соответственно, отключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом. Например, управляющее устройство может составлять часть схемы управления. В отношении силового полупроводникового схемного элемента речь, в частности, может идти о биполярном транзисторе с изолированным выводом затвора (биполярном транзисторе с изолированным затвором, IGBT). Управляющее устройство электрически соединяется с электродом затвора, соответственно, выводом затвора силового полупроводникового схемного элемента. При этом может быть предусмотрено, что управляющее устройство имеет резистор затвора, который соединен с выводом затвора силового полупроводникового схемного элемента. С помощью управляющего устройства могут регулироваться и, соответственно, подводиться на вывод затвора электрические напряжения с различными значениями напряжения. Например, электрическое напряжение может быть подведено на вывод затвора с первым значением напряжения, чтобы подключить силовой полупроводниковый схемный элемент. Когда электрическое напряжение с первым значением напряжения подводится к выводу затвора, в частности, предусматривается, что напряжение «затвор-эмиттер» силового полупроводникового схемного элемента превышает пороговое значение. В этом случае силовой полупроводниковый схемный элемент находится в открытом состоянии. Когда силовой полупроводниковый схемный элемент должен быть отключен, электрическое напряжение с помощью управляющего устройства снижается от первого значения напряжения до второго значения напряжения.
Согласно существенному аспекту настоящего изобретения предусматривается, что с помощью управляющего устройства электрическое напряжение на выводе затвора сначала снижается от первого значения напряжения до значения выхода из режима насыщения, и затем снижается до второго значения напряжения. Таким образом, для отключения силового полупроводникового схемного элемента электрическое напряжение на выводе затвора и, соответственно, напряжение «затвор-эмиттер», не непосредственно снижается до второго значения напряжения, а сначала электрическое напряжение регулируется на значение выхода из режима насыщения. При этом значение выхода из режима насыщения является меньшим, чем первое значение напряжения, и более высоким, чем второе значение напряжения. Другими словами, незадолго перед собственно процессом отключения на вывод затвора подается импульс выхода из режима насыщения. Этот импульс выхода из режима насыщения разряжает затвор и, соответственно, вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента, до напряжения, которое является слегка более высоким, чем напряжение отсечки силового полупроводникового схемного элемента. Это напряжение отсечки также может называться напряжением смыкания. Если на силовой полупроводниковый схемный элемент подводится напряжение отсечки, сужается канал силового полупроводникового схемного элемента. Вследствие того, что электрическое напряжение сначала снижается до значения выхода из режима насыщения, может снижаться концентрация носителей заряда внутри силового полупроводникового схемного элемента. Тем самым в процессе отключения силового полупроводникового схемного элемента нужно очищать меньший заряд из силового полупроводникового схемного элемента. Тем самым могут быть сокращены потери на выключение при отключении силового полупроводникового схемного элемента, и тем самым процесс отключении может быть проведен более эффективно.
Управляющее устройство имеет первый переключатель для подведения на вывод затвора электрического напряжения с первым значением напряжения, и второй переключатель для подведения на вывод затвора электрического напряжения со вторым значением напряжения. При этом первый переключатель и второй переключатель могут управляться независимо друг от друга. Первый переключатель служит для того, чтобы соединять вывод затвора с электрическим напряжением с первым значением напряжения. Равным образом, второй переключатель служит для того, чтобы соединять вывод затвора с электрическим напряжением со вторым значением напряжения. Посредством данных переключателей можно переключать, например, электрическое соединение между выводом затвора, а также источником напряжения, который создает электрическое напряжение с первым значением напряжения и, соответственно, вторым значением напряжения. Может быть также предусмотрено, что посредством переключателя вывод затвора соединяется со стоком напряжения.
Управляющее устройство предназначено для того, чтобы периодически управлять первым переключателем и/или вторым переключателем, и настраивать электрическое напряжение на значение выхода из режима насыщения заданием скважности импульсов управления первым переключателем и/или вторым переключателем. Иначе говоря, электрическое напряжение может подводиться на вывод затвора наподобие широтно-импульсной модуляции. Таким образом, снижение напряжения на выводе затвора может достигаться путем широтно-импульсной модуляции. Посредством надлежащих характеристик «импульс-пауза» на выводе затвора силового полупроводникового схемного элемента напряжение устанавливается на значение выхода из режима насыщения. Это позволяет надежно регулировать электрическое напряжение на выводе затвора.
К тому же управляющее устройство имеет измерительный блок для измерения тока коллектора на выводе коллектора силового полупроводникового схемного элемента, и управляющее устройство предназначено для определения значения выхода из режима насыщения на основе тока коллектора. Как уже было описано, значение выхода из режима насыщения может определяться на основе напряжения отсечки и, соответственно, напряжения смыкания силового полупроводникового схемного элемента. Напряжение отсечки может быть определено на основе взаимозависимости тока коллектора и напряжения «затвор-эмиттер». При этом, в частности, предусматривается, что ток коллектора измеряется перед отключением силового полупроводникового схемного элемента, и значение выхода из режима насыщения и, соответственно, электрическое напряжение со значением выхода из режима насыщения, определяется так, что оно составляет очень близкую к напряжению отсечки величину, и, соответственно, минимально превышает напряжение отсечки. Тем самым может быть достоверно определено значение выхода из режима насыщения.
Управляющее устройство предпочтительно предназначено для подведения на вывод затвора электрического напряжения со значением выхода из режима насыщения в течение предварительно определенной длительности импульсов. В частности, предусматривается, что электрическое напряжение со значением выхода из режима насыщения выдерживается и, соответственно, подводится к выводу затвора так долго, пока не сократятся носители заряда в силовом полупроводниковом схемном элементе. Во время подведения электрического напряжения со значением выхода из режима насыщения на силовой полупроводниковый схемный элемент посредством тока нагрузки непосредственно очищается избыточный заряд. Одновременно происходит рекомбинация носителей заряда, причем это происходит явно медленнее. Между тем также возрастает напряжение в открытом состоянии. При этом может быть предварительно определена длительность импульсов во время подведения электрического напряжения со значением выхода из режима насыщения на силовой полупроводниковый схемный элемент. Например, длительность импульсов может быть определена на основе заранее проведенных измерений. Тем самым может быть обеспечен более эффективный процесс отключения.
Согласно дополнительному варианту исполнения, управляющее устройство имеет измерительный блок для измерения напряжения «затвор-эмиттер» между выводом затвора и выводом эмиттера силового полупроводникового схемного элемента во время отключения, и управляющее устройство предназначено для определения длительности импульсов на основе напряжения «затвор-эмиттер». Таким образом, может быть предусмотрено, что напряжение «затвор-эмиттер» во время процесса отключения измеряется непрерывно. Напряжение «затвор-эмиттер» описывает электрическое напряжение, которое подводится с помощью управляющего устройства на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента. Тем самым подача напряжения непрерывно определяется посредством управляющего устройства и, соответственно, на основе напряжения «затвор-эмиттер», и, следовательно, точно регулируется длительность импульсов.
В одном незаявленном варианте исполнения управляющее устройство предназначено для отключения силового полупроводникового схемного элемента размыканием первого переключателя, после этого замыканием второго переключателя в течение первого промежутка времени, после этого размыканием второго переключателя в течение второго промежутка времени, и затем замыканием второго переключателя. Например, первый переключатель может быть замкнут к первому моменту времени, и одновременно может быть разомкнут второй переключатель. После первого промежутка времени второй переключатель опять может быть разомкнут. При этом второй переключатель остается разомкнутым в течение второго промежутка времени. При этом первый промежуток времени и второй промежуток времени выбираются так, что в целом получается значение выхода из режима насыщения для напряжения на выводе затвора. Сумма первого промежутка времени и второго промежутка времени соответствует, в частности, длительности импульса. При этом второй промежуток времени представляет высокоомное регулирование и, соответственно, переключение на высокоомный резистор затвора. Тогда после импульса выхода из режима насыщения второй переключатель может быть опять разомкнут ко второму моменту времени, чтобы полностью разрядить затвор. Тем самым электрическое напряжение на выводе затвора может регулироваться с помощью первого и второго переключателей.
Согласно незаявленному варианту исполнения, управляющее устройство имеет третий переключатель для подведения электрического напряжения со значением выхода из режима насыщения, и управляющее устройство предназначено для размыкания первого переключателя и замыкания третьего переключателя к первому моменту времени, а также для размыкания третьего переключателя и замыкания второго переключателя ко второму моменту времени. Когда силовой полупроводниковый схемный элемент находится в открытом состоянии, первый переключатель замкнут. Для отключения силового полупроводникового схемного элемента к первому моменту времени первый переключатель размыкается, и одновременно замыкается третий переключатель. Тем самым на вывод затвора подводится электрическое напряжение со значением выхода из режима насыщения. После сокращения носителей заряда в полупроводниковом схемном элементе ко второму моменту времени размыкается третий переключатель и замыкается второй переключатель. Тем самым на вывод затвора подводится электрическое напряжение со вторым значением напряжения. Тем самым силовой полупроводниковый схемный элемент может быть отключен с сокращением потерь на отключение.
В дополнительном варианте исполнения управляющее устройство имеет аналоговый усилитель для создания электрического напряжения с первым значением напряжения, значением выхода из режима насыщения и вторым значением напряжения. Аналоговый усилитель может быть выполнен как оконечный каскад аналогового усилителя, посредством которого может непрерывно регулироваться электрическое напряжение на выводе затвора. С оконечным каскадом такого рода могут устанавливаться теоретически обширные оптимизированные траектории напряжения на затворе. Тем самым может быть обеспечена возможность также регулирования тока и/или напряжения в переходном режиме управляемого силового полупроводникового схемного элемента.
Соответствующий изобретению полупроводниковый модуль включает биполярный переключаемый силовой полупроводниковый схемный элемент и соответствующее изобретению управляющее устройство. При этом соответствующее изобретению управляющее устройство служит для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом. В отношении силового полупроводникового схемного элемента речь может идти, в частности, о биполярном транзисторе с изолированным затвором и, соответственно, изолированным выводом затвора. То есть силовой полупроводниковый схемный элемент может быть выполнен как IGBT. Полупроводниковый модуль может представлять собой, например, преобразователь частоты переменного тока. При этом, в частности, предусматривается, что длительность импульсов, в течение которой на силовой полупроводниковый схемный элемент подводится электрическое напряжение со значением выхода из режима насыщения, учитывается в управляющей информации преобразователя, так как она действует как дополнительный фактор запаздывания отключения.
Соответствующий изобретению способ служит для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом. При этом с помощью управляющего устройства на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента подводится электрическое напряжение, и электрическое напряжение снижается для отключения силового полупроводникового схемного элемента от первого значения напряжения до второго значения напряжения. При этом предусматривается, что электрическое напряжение для отключения силового полупроводникового схемного элемента сначала снижается от первого значения напряжения до значения выхода из режима насыщения, и затем электрическое напряжение снижается от значения выхода из режима насыщения до второго значения напряжения, причем значение выхода из режима насыщения является более высоким, чем напряжение отсечки силового полупроводникового схемного элемента.
Описанные в отношении соответствующего изобретению управляющего устройства преимущества и усовершенствования по смыслу действительны для соответствующего изобретению полупроводникового модуля, а также соответствующего изобретению способа.
Теперь настоящее изобретение более подробно описывается посредством предпочтительных примеров осуществления, а также со ссылкой на сопроводительные чертежи. При этом показано:
ФИГ. 1 представляет изменение во времени электрического напряжения на выводе затвора перед разрядным сопротивлением затвора силового полупроводникового схемного элемента при отключении силового полупроводникового схемного элемента согласно прототипу;
ФИГ. 2 представляет изменение во времени электрического напряжения на выводе затвора при отключении силового полупроводникового схемного элемента согласно одному варианту осуществления изобретения;
ФИГ. 3 представляет изменение напряжения отсечки, а также значения выхода из режима насыщения электрического напряжения;
ФИГ. 4 представляет полупроводниковый модуль, который включает управляющее устройство и силовой полупроводниковый схемный элемент, согласно первому варианту исполнения;
ФИГ. 5 представляет характеристику переключения переключателей управляющего устройства согласно ФИГ. 4 в зависимости от времени;
ФИГ. 6 представляет полупроводниковый модуль с управляющим устройством согласно дополнительному варианту исполнения;
ФИГ. 7 представляет характеристику переключения переключателей управляющего устройства согласно ФИГ. 6 в первом варианте исполнения;
ФИГ. 8 представляет характеристику переключения переключателей управляющего устройства согласно ФИГ. 6 во втором варианте исполнения;
ФИГ. 9 представляет полупроводниковый модуль с управляющим устройством согласно дополнительному варианту исполнения.
В Фигурах одинаковые и функционально сходные элементы снабжены одинаковыми кодовыми номерами позиций.
ФИГ. 1 показывает характеристику электрического напряжения U в зависимости от времени t, которое подводится во время отключения силового полупроводникового схемного элемента 1 на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента 1. Электрическое напряжение U описывает напряжение перед возможным разрядным сопротивлением затвора, которое обычно размещается между выводом затвора силового полупроводникового схемного элемента 1 и управляющим устройством. При этом характеристика напряжения U, которая показана в ФИГ. 1, описывает процесс отключения согласно прототипу. Если силовой полупроводниковый схемный элемент 1 подключен, на вывод затвора подается электрическое напряжение U с первым значением UB+ напряжения. Первое значение UB+ напряжения может представлять собой положительное электрическое напряжение. При отключении силового полупроводникового схемного элемента 1 электрическое напряжение U снижается от первого значения UB+ напряжения до второго значения UB- напряжения. Второе значение UB- напряжения может, например, включать отрицательное электрическое напряжение. При этом непосредственный переход от проводящего состояния с высокой концентрацией носителей заряда в обесточенное состояние сопровождается сравнительно высокими потерями мощности при выключении.
По сравнению с этим ФИГ. 2 показывает характеристику электрического напряжения U в зависимости от времени t в процессе отключения согласно одному варианту осуществления изобретения. При этом электрическое напряжение U на выводе затвора сначала снижается от первого значения UB+ напряжения до значения Usat выхода из режима насыщения, и затем до второго значения UB- напряжения. При этом электрическое напряжение U со значением Usat выхода из режима насыщения подводится на вывод затвора в течение предварительно определенной длительности tP импульса. Длительность tP импульса начинается в первый момент t1 времени и заканчивается во второй момент t2 времени. Вследствие того, что электрическое напряжение U на выводе затвора сначала снижается до значения Usat выхода из режима насыщения, перед собственно отключением силового полупроводникового схемного элемента 1 снижается концентрация носителей заряда. Благодаря этому в процессе отключения из силового полупроводникового схемного элемента 1 должен очищаться меньший заряд. Тем самым снижаются потери при отключении.
При этом значение Usat выхода из режима насыщения определяется так, что оно слегка превышает зависящее от тока нагрузки напряжение UP отсечки силового полупроводникового схемного элемента 1. Это напряжение UP отсечки может называться также напряжением смыкания. ФИГ. 3 показывает график изменения напряжения UP отсечки, а также график изменения значения Usat выхода из режима насыщения. При этом диаграмма в ФИГ. 3 показывает напряжение UGE «затвор-эмиттер» в зависимости от тока Ic коллектора. При этом значение Usat выхода из режима насыщения может иметь установленную высоту, которая соответствует по меньшей мере максимально ожидаемому напряжению UP отсечки. Значение Usat выхода из режима насыщения также может быть отрегулировано очень близким к напряжению UP отсечки по измерению тока Ic коллектора перед отключением. Правда, это предполагает наличие регулируемого источника напряжения и, соответственно, стока напряжения.
ФИГ. 4 показывает полупроводниковый модуль 3 согласно первому варианту исполнения. Полупроводниковый модуль 3 включает управляющее устройство 2, а также силовой полупроводниковый схемный элемент 1. Силовой полупроводниковый схемный элемент 1 может быть выполнен как стандартный или способный к обратной проводимости IGBT. В данный момент в качестве примера показана эквивалентная схема способного к обратной проводимости IGBT для силового полупроводникового схемного элемента 1. В этом примере исполнения управляющее устройство 2 включает первый переключатель S1, через который при промежуточном включении первого резистора R1 силовой полупроводниковый схемный элемент 1 может быть соединен с электрическим напряжением U с первым значением UB+ напряжения. Кроме того, управляющее устройство 2 включает второй переключатель S2, через который силовой полупроводниковый схемный элемент 1 при промежуточном включении второго резистора R2 может быть соединен с электрическим напряжением U со вторым значением UB- напряжения. К тому же управляющее устройство 2 включает третий переключатель S3, через который силовой полупроводниковый схемный элемент 1 при промежуточном включении третьего резистора R3 может быть соединен с электрическим напряжением U со значением Usat выхода из режима насыщения.
ФИГ. 5 показывает характеристики переключения переключателей S1, S2 и S3 управляющего устройства 2 согласно ФИГ. 4 в зависимости от времени t. Для отключения силового полупроводникового схемного элемента 1 первый переключатель S1 размыкается к первому моменту t1 времени. Одновременно замыкается третий переключатель S3. Тем самым может быть начат импульс выхода из режима насыщения в течение длительности tP импульса. После сокращения носителей заряда в силовом полупроводниковом схемном элементе 1 путем единственно приведения в действие второго переключателя S2 ко второму моменту t2 времени силовой полупроводниковый схемный элемент 1 отключается при сниженной концентрации носителей заряда и тем самым сокращенными потерями при отключении.
ФИГ. 6 показывает полупроводниковый модуль 3 согласно дополнительному варианту исполнения. При этом управляющее устройство 2 включает только первый переключатель S1 и второй переключатель S2, которые были описаны в связи с управляющим устройством 2 согласно ФИГ. 4. При этом дополнительный уровень напряжения для значения Usat выхода из режима насыщения не требуется. Как разъясняется далее, снижение напряжения UGE «затвор-эмиттер» производится кратковременной, неполной разрядкой затвора.
ФИГ. 7 показывает характеристики переключения переключателей S1 и S2 управляющего устройства 2 согласно ФИГ. 6 в зависимости от времени t, согласно первому варианту исполнения. При этом напряжение U на затворе доводится до значения Usat выхода из режима насыщения деактивированием первого переключателя S1 и кратковременным активированием второго переключателя S2. К первому моменту t1 времени первый переключатель S1 размыкается, и второй переключатель S2 замыкается в течение первой продолжительности td1 времени. Первая продолжительность td1 времени может быть либо предварительно строго заданной, или может определяться по измерению напряжения «затвор-эмиттер». Кроме того, было бы возможным к тому же учитывать связанное с этим возрастание напряжения «коллектор-эмиттер». По достижении значения Usat выхода из режима насыщения как первый переключатель S1, так и второй переключатель S2 деактивируются в течение второй продолжительности td2 времени, и тем самым подключается высокоомная настройка. В альтернативном варианте, также путем переключения на высокоомный резистор затвора может быть отрегулирован меньший ток на затворе. После значения Usat выхода из режима насыщения, которое прилагается в течение длительности tP импульса, процесс переключения продолжается до второго момента t2 времени с активированием второго переключателя S2.
ФИГ. 8 показывает характеристики переключения переключателей S1 и S2 управляющего устройства 2 согласно ФИГ. 6 в зависимости от времени t, согласно второму варианту исполнения. При этом напряжение UGE «затвор-эмиттер» достигается широтно-импульсной модуляцией. Посредством подходящей характеристики «импульс-пауза» на выводе затвора силового полупроводникового схемного элемента 1 устанавливается значение Usat выхода из режима насыщения. Прежде чем затвор силового полупроводникового схемного элемента 1 будет разряжен вторым переключателем S2 до второго значения UB- напряжения, широтно-импульсной модуляцией начинается импульс выхода из режима насыщения посредством управления первым переключателем S1 и вторым переключателем S2. При этом первым переключателем S1 и вторым переключателем S2 устанавливается значение Usat выхода из режима насыщения с соответствующей скважностью импульсов.
ФИГ. 9 показывает полупроводниковый модуль 3 согласно дополнительному варианту исполнения. При этом управляющее устройство 2 включает аналоговый усилитель 4, соответственно, оконечный каскад аналогового усилителя. Аналоговый усилитель 4 включает первый транзистор Т1, через который электрическое напряжение U с первым значением UB+ напряжения может подводиться на силовой полупроводниковый схемный элемент при промежуточном подключении резистора R. Кроме того, усилитель 4 включает второй транзистор Т2, через который на силовой полупроводниковый схемный элемент 1 может подводиться электрическое напряжение U со вторым значением UB- напряжения. С помощью усилителя 4 электрическое напряжение U может регулироваться непрерывно. Тем самым на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента 1 может подводиться электрическое напряжение U с характеристикой изменения во времени, которая была разъяснена в связи с ФИГ. 2.
Применением управляющего устройства 2 и, соответственно, характеристик отключения может быть снижена нагрузка поля с высокой напряженностью на силовой полупроводниковый схемный элемент 1 при отключении, так как посредством значения Usat выхода из режима насыщения снижается концентрация носителей заряда в силовом полупроводниковом схемном элементе 1. При соблюдении пределов надежности и, соответственно, безопасного рабочего диапазона, которые, в частности, описывают более высокие скорости переключения благодаря более высокому разрядному току на затворе без превышения пределов напряженности поля, могут быть значительно снижены потери при переключении. В частности, это может быть использовано, когда скорость нарастания напряжения на магистральных соединениях силового полупроводникового схемного элемента 1 вариантами применения не ограничивается. Описанные полупроводниковые модули 3 могут быть, в частности, составлять часть преобразователя. Тем самым снижением потерь при переключении может быть повышен коэффициент полезного действия преобразователя.

Claims (6)

1. Управляющее устройство (2) для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом (1), причем управляющее устройство (2) предназначено для подведения электрического напряжения (U) на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента (1) и для снижения электрического напряжения (U) для отключения силового полупроводникового схемного элемента (U) от первого значения (UB+) напряжения до второго значения (UB-) напряжения, причем управляющее устройство (2) предназначено для отключения силового полупроводникового схемного элемента (1) так, что электрическое напряжение (U) сначала снижается от первого значения (UB+) напряжения до значения (Usat) выхода из режима насыщения, и затем электрическое напряжение (U) снижается от значения (Usat) выхода из режима насыщения до второго значения (UB-) напряжения, причем значение (Usat) выхода из режима насыщения является более высоким, чем напряжение (UP) отсечки силового полупроводникового схемного элемента (1), причем управляющее устройство (2) имеет первый переключатель (S1) для подведения на вывод затвора электрического напряжения (U) с первым значением (UB+) напряжения и второй переключатель (S2) для подведения на вывод затвора электрического напряжения (U) со вторым значением (UB-) напряжения, отличающееся тем, что управляющее устройство (2) предназначено для периодического управления первым переключателем (S1) и/или вторым переключателем (S2) и регулирования электрического напряжения (U) до значения (Usat) выхода из режима насыщения посредством задания скважности импульсов управления первым переключателем (S1) и/или вторым переключателем (S2), управляющее устройство (2) содержит измерительный блок для измерения тока (IC) коллектора на выводе коллектора силового полупроводникового схемного элемента (1), и управляющее устройство (2) выполнено с возможностью определения значения (Usat) выхода из режима насыщения на основе тока (IC) коллектора.
2. Управляющее устройство (2) по п. 1, причем управляющее устройство (2) выполнено с возможностью подведения на вывод затвора электрического напряжения (U) со значением (Usat) выхода из режима насыщения в течение определенной длительности (tP) импульсов.
3. Управляющее устройство (2) по п. 2, причем управляющее устройство (2) имеет измерительный блок для измерения напряжения (UGE) «затвор-эмиттер» между выводом затвора и выводом эмиттера силового полупроводникового схемного элемента (1) во время отключения, и управляющее устройство (2) предназначено для определения длительности (tP) импульсов на основе напряжения (UGE) «затвор-эмиттер».
4. Полупроводниковый модуль (3) с биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом (1) и с управляющим устройством (2) по одному из предшествующих пунктов для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом (1).
5. Полупроводниковый модуль (3) по п. 4, причем биполярный переключаемый силовой полупроводниковый схемный элемент (1) представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором.
6. Способ управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом (1), в котором посредством управляющего устройства (2) на вывод затвора силового полупроводникового схемного элемента (1) подводится электрическое напряжение (U), и электрическое напряжение (U) снижается для отключения силового полупроводникового схемного элемента (1) от первого значения (UB+) напряжения до второго значения (UB-) напряжения, причем электрическое напряжение (U) для отключения силового полупроводникового схемного элемента (1) сначала снижается от первого значения (UB+) напряжения до значения (Usat) выхода из режима насыщения, и затем электрическое напряжение (U) снижается от значения (Usat) выхода из режима насыщения до второго значения (UB-) напряжения, причем значение (Usat) выхода из режима насыщения является более высоким, чем напряжение (UP) отсечки силового полупроводникового схемного элемента (1), причем управляющее устройство (2) имеет первый переключатель (S1) для подведения на вывод затвора электрического напряжения (U) с первым значением (UB+) напряжения и второй переключатель (S2) для подведения на вывод затвора электрического напряжения (U) со вторым значением (UB-) напряжения, отличающийся тем, что первый переключатель (S1) и/или второй переключатель (S2) периодически управляются, и электрическое напряжение (U) регулируется на значение (Usat) выхода из режима насыщения заданием скважности импульсов управления первым переключателем (S1) и/или вторым переключателем (S2), и с помощью измерительного блока управляющего устройства (2) измеряется ток (IC) коллектора на выводе коллектора силового полупроводникового схемного элемента (2), и значение (Usat) выхода из режима насыщения определяется с помощью управляющего устройства (2) на основе тока (IC) коллектора.
RU2019119856A 2017-01-18 2017-11-07 Управляющее устройство для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом, полупроводниковый модуль, а также способ RU2718412C1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17151987.9 2017-01-18
EP17151987.9A EP3352375A1 (de) 2017-01-18 2017-01-18 Steuereinrichtung zum ansteuern eines bipolaren schaltbaren leistungshalbleiterbauelements, halbleitermodul sowie verfahren
PCT/EP2017/078420 WO2018133962A1 (de) 2017-01-18 2017-11-07 Steuereinrichtung zum ansteuern eines bipolaren schaltbaren leistungshalbleiterbauelements, halbleitermodul sowie verfahren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2718412C1 true RU2718412C1 (ru) 2020-04-02

Family

ID=57890663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019119856A RU2718412C1 (ru) 2017-01-18 2017-11-07 Управляющее устройство для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом, полупроводниковый модуль, а также способ

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10680602B2 (ru)
EP (2) EP3352375A1 (ru)
JP (1) JP6847264B2 (ru)
KR (1) KR102202671B1 (ru)
CN (1) CN110192344B (ru)
RU (1) RU2718412C1 (ru)
WO (1) WO2018133962A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022134287B3 (de) 2022-12-21 2024-01-18 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Ansteuereinrichtung, Halbbrückenschaltungsanordnung damit und Verfahren dazu

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU464038A1 (ru) * 1972-06-02 1975-03-15 Предприятие П/Я Р-6510 Устройство защиты транзисторов от перегрузок
DE3905645A1 (de) * 1989-02-21 1990-08-23 Licentia Gmbh Ansteuerverfahren zur verbesserung des ueberstromabschaltverhaltens von leistungshalbleiterschaltern mit mos-steuereingang
US5343141A (en) * 1992-06-09 1994-08-30 Cherry Semiconductor Corporation Transistor overcurrent protection circuit
DE10206392A1 (de) * 2002-02-15 2003-09-04 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung des Abschaltvorgangs eines nichteinrastenden, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0324818A (ja) * 1989-06-22 1991-02-01 Mitsubishi Electric Corp Ｆｅｔ駆動用ゲート回路
KR19990011066A (ko) * 1997-07-21 1999-02-18 윤종용 I g b t 이상 전류 제한회로
JP5163436B2 (ja) * 2008-11-12 2013-03-13 トヨタ自動車株式会社 半導体駆動装置
US8395873B2 (en) * 2010-06-09 2013-03-12 Hamilton Sundstrand Corporation SSPC with dual fault detectors
JP5392578B2 (ja) * 2011-01-28 2014-01-22 株式会社デンソー 電子装置
US9025294B2 (en) * 2012-02-24 2015-05-05 Hamilton Sundstrand Corporation System and method for controlling solid state circuit breakers
DE102012207147B4 (de) * 2012-04-27 2016-01-21 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Ansteuern von Leistungshalbleiterschaltern
DE102012015787B3 (de) * 2012-08-08 2013-12-12 Fairchild Semiconductor Corp. Gepulster Gate-Treiber
US9172365B2 (en) * 2013-08-31 2015-10-27 Freescale Semiconductor, Inc. Method and circuit for controlling turnoff of a semiconductor switching element
KR20150096908A (ko) * 2014-02-17 2015-08-26 삼성전기주식회사 구동 신호 생성 회로 및 이를 포함하는 전력 반도체 소자의 구동 장치
JP6362996B2 (ja) 2014-10-24 2018-07-25 株式会社日立製作所 半導体駆動装置ならびにそれを用いた電力変換装置
WO2017104077A1 (ja) * 2015-12-18 2017-06-22 三菱電機株式会社 半導体デバイス駆動回路
US9748947B1 (en) * 2016-07-12 2017-08-29 Ge Energy Power Conversion Technology Ltd IGBT gate drive circuit and method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU464038A1 (ru) * 1972-06-02 1975-03-15 Предприятие П/Я Р-6510 Устройство защиты транзисторов от перегрузок
DE3905645A1 (de) * 1989-02-21 1990-08-23 Licentia Gmbh Ansteuerverfahren zur verbesserung des ueberstromabschaltverhaltens von leistungshalbleiterschaltern mit mos-steuereingang
US5343141A (en) * 1992-06-09 1994-08-30 Cherry Semiconductor Corporation Transistor overcurrent protection circuit
DE10206392A1 (de) * 2002-02-15 2003-09-04 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung des Abschaltvorgangs eines nichteinrastenden, abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalters

Also Published As

Publication number Publication date
CN110192344B (zh) 2023-07-18
US20190379373A1 (en) 2019-12-12
JP6847264B2 (ja) 2021-03-24
KR20190104412A (ko) 2019-09-09
JP2020508015A (ja) 2020-03-12
WO2018133962A1 (de) 2018-07-26
EP3552310B1 (de) 2020-12-30
CN110192344A (zh) 2019-08-30
EP3552310A1 (de) 2019-10-16
US10680602B2 (en) 2020-06-09
KR102202671B1 (ko) 2021-01-12
EP3352375A1 (de) 2018-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110249515B (zh) 电子开关和调光器
US9397658B2 (en) Gate drive circuit and a method for controlling a power transistor
US7724065B2 (en) Desaturation circuit for an IGBT
US5479089A (en) Power converter apparatus having instantaneous commutation switching system
US9093836B2 (en) Method for controlling a transistor and control circuit
US20020141209A1 (en) Control circuit for synchronous rectifiers in DC/DC converters to reduce body diode conduction losses
US5952740A (en) Load drive device
US6897707B2 (en) Isolated FET drive utilizing Zener diode based systems, methods and apparatus
KR101831371B1 (ko) 안정화된 스위칭 주파수를 갖는 벅 변환기
US8854109B2 (en) Method for controlling two electrically series-connected reverse conductive IGBTs of a half bridge
JP6255766B2 (ja) ゲート駆動回路
US8643355B2 (en) Method for generating a signal and structure therefor
CN109962699A (zh) 用于控制mosfet开关模块的方法和装置
CN113098469A (zh) 用于GaN开关的时间可编程失效安全下拉电路
EP0148855A1 (en) PARALLEL "MOSFET" POWER CIRCUIT CIRCUIT.
RU2718412C1 (ru) Управляющее устройство для управления биполярным переключаемым силовым полупроводниковым схемным элементом, полупроводниковый модуль, а также способ
JP2012109916A (ja) 負荷駆動回路
CN109428573B (zh) 用于驱动晶体管器件的方法、驱动电路和电子电路
CN106899218B (zh) 用于使用继电器式规则的开关模式电源控制器的辅助电源
US20220014113A1 (en) Pre-charging a modular multilevel converter
CN106849924B (zh) 一种集成光触发一体化igbt结构及设计方法
CN110649917B (zh) 开关元件驱动装置
US20200076320A1 (en) Electronic circuit and operating method for this
KR20200143892A (ko) 전력변환장치용 스위칭소자의 구동 제어 장치 및 방법
KR100598836B1 (ko) 전동 모터용 시동 스위치