用于控制半导体开关器件的装置和方法制造方法及图纸

公开了一种用于控制如IGBT的半导体开关器件的控制电路。该控制电路包括第一反馈路径，其在所述半导体开关器件的第一电极和控制电极之间，第一反馈路径具有电容。该电路可操作以便第一反馈路径中的电容依赖于在所述第一电极上的电压电平。在另一实施方式中，控制电路可操作以便随着半导体开关器件开始切断，反馈信号立即开始在第一反馈路径中流动，从而引起半导体开关器件上的控制动作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制半导体开关器件的装置
本公开涉及半导体开关器件的控制，并且特别是绝缘-栅双极晶体管(IGBT)。
技术介绍
本领域中的功率转换器的当前技术通过脉冲宽度调制后(PWM，脉冲宽度调制)的电压源逆变器驱动向输出端提供了可调的电压和频率。功率转换器可以被用于不间断电源(UPS)、电动机，等。PWM指令被用于功率转换器来控制到惯性电气设备的功率，通过现代电子功率开关这变得切实可行的。开关的占空比(导通-时间与整个周期时间的比率)是变化的以实现期望的平均输出电压、平均输出电流等(当平均超时时)。典型的功率转换器是开关功率转换器。其具有两个或更多的功率半导体器件，例如功率半导体开关。功率半导体开关可以，例如，通过绝缘-栅双极晶体管(IGBT)来实现。随着这样的半导体开关的切换速度增加和电流增加，限制关断电压到允许的范围变得越来越难。如果跨接在半导体开关的被控路径上的允许电压超过范围时，它就会被破坏。特别重要的情况是短路，其中电流变化的速率di/dt诱发杂散电感电压，该电压将被添加到存在于任何情况下的电压。所导致的过压可能超过允许电压，特别是跨接在半导体开关的被控路径上的电压。解决过压的一种办法是增加在半导体开关的栅极上的电阻的大小。然而，为了达到这个效果，该电阻的大小变得过大并且开关损耗变得不可接受。另一种方法是反馈集电极-发射极电压到半导体开关的栅极上以保持其处于导通-状态一段时间，这段时间由高功率电路中的杂散电感确定。栅极电压的上升限制了集电极-发射极电压的上升。然而，这种方法由于低于米勒高原的栅极电压和集电极-发射极电压的上升之间的严重延迟基本上是无效的。另一种方法是提供了有源钳位，比如US7119586中所述。此处，有源钳位被并入半导体开关的集电极与栅极驱动器级的输入端之间的电路中。这个有源钳位确定了跨接在半导体开关的发射极-集电极路径上的电压，并且以这种方式检测截止状态的开始，从而冻结开关信号的瞬时值。由于半导体开关保持在米勒高原电压电平较长，当关断特别高的电压时集电极电流的小的电流变化速率di/dt被实现。有源钳位的这种方法往往导致集电极电流斜率变化而没有显著增加开关损耗。
技术实现思路
解决现有技术中这些问题的一个或多个是本专利技术的目的。在本专利技术的第一方面，其中提供了一种用于控制半导体开关器件的控制电路，其包括在所述半导体开关器件的第一电极和控制电极之间的第一反馈路径，所述第一反馈路径包括电容，所述控制电路是可操作的，以便在所述第一反馈路径中的所述电容依赖于所述第一电极上的电压电平。在本专利技术的第二方面，其中提供了一种用于控制半导体开关器件的控制电路，其包括第一反馈路径，所述第一反馈路径在所述半导体开关器件的第一电极和控制电极之间，并且所述第一反馈路径包括电容，所述控制电路是可操作的，以便随着所述半导体开关器件开始切断，反馈信号立即开始在所述第一反馈路径中流动，从而引起所述半导体开关器件上的控制动作。其他可选的方面如在所附的从属权利要求中所公开的。附图说明本专利技术的实施方式，现在将仅通过示例的方式，通过参照附图，进行阐述，其中：图1示出根据现有技术的有源驱动器电路，驱动IGBT。图2示出了根据本专利技术的有源驱动器电路，驱动IGBT；图3示出了没有任何有源电压控制的IGBT的多个信号电平超时的轨迹；以及图4和图5示出了根据本专利技术的实施方式的使用有源驱动器电路驱动的IGBT的多个信号电平超时的痕迹。具体实施方式图1示出了有源驱动器电路驱动绝缘栅双极晶体管(IGBT)100的现有技术。驱动电路接收开关信号例如脉冲宽度调制信号PWM，并且依赖于开关信号PWM驱动IGBT100。该驱动电路包括至少一个驱动器级110，其在这个例子中，由包括两个双极型晶体管120a和120b的推-挽射极跟随器组成。一个或多个另外的驱动级可能优于驱动器级110。驱动器级110的输出端通过栅极电阻器RG被连接到IGBT100的栅极。提供了集电极和驱动器级110的输入端之间的第一反馈路径。该第一反馈路径包括瞬态-电压-抑制(TVS)二极管130、电容器170、电阻180和开关190。还提供了集电极和IGBT的栅极之间的第二反馈路径。该路径包括TVS二极管130、另外串联的TVS二极管140、二极管150和电阻160。此电路的操作如下。PWM信号通过驱动器级110在IGBT100的栅极被接收。随着栅极电压变化极性，IGBT100被切断并且IGBT100的发射极和集电极之间的电压上升。一旦达到由TVS二极管130设置的阈值在电容器170处的电势发生改变并且电流经电阻180流过第一反馈路径。跨接在电阻180上的降低的电压接通开关190，引起电流流经开关190。由于该电流，反过来，跨接在阻抗195的正电压下降，其通过驱动器级110将IGBT100保持在米勒高原。因此，IGBT100保持在其有源区。这显著地减小了电流斜率，因而跨接在IGBT上的电压的瞬时变化速率dv/dt被限制。第二，可选的，反馈路径，通过直接向栅极施加集电极发射极电流经电阻160和TVS二极管130、140，在IGBT的栅极上提供另外的嵌位作用。串联的TVS二极管130、140在这个另外的嵌位作用生效之前导致所需的更高的阈值，与用于第一反馈电路的嵌位作用生效所需的阈值比较。这只是发生在过压情况下，在正常操作下集电极-发射极电压将不会超过这个较高的阈值。图2示出驱动IGBT200的修改后的有源驱动器电路。电路以与图1中相似的方式进行操作。主要区别是在第一反馈路径，其中有多个(在本例中，3个)并联的电容器270a、270b、270c。第一电容器270a在其输入端没有TVS二极管，并且因此上升的集电极-发射极电压被立即施加到其上面，导致电流在第一反馈路径中流动。然而，随着集电极-发射极电压持续增加，由TVS二极管230a设置的阈值被达到，随后是TVS二极管230a和230b的组合设置的阈值。这导致，首先，电流被导向通过与270a并联的电容器270b，而后通过全部三个电容器270a、270b、270c。通过该反馈路径的瞬时电流i控制1由下式给出：i控制1＝C.dvce/dt其中C是反馈回路中的电容并且dvce/dt是IGBT200的集电极-发射极电压变化的瞬时速率。因此，随着每个阈值被通过，在反馈回路中的有效电容增加，并且在反馈回路中的电流与它一起。反馈电流i控制1用来控制驱动器级210的方式也不同于图1的电路。图2示出了中心控制命令CCC(其导致PWM信号)通过隔离器205和放大器215输入到驱动器级210。这个中心控制命令还在开关T2的基极提供禁止命令225。与开关T2并联的是电阻R2和二极管D3。第一反馈路径被连接到开关T1的栅极，其将正轨经由二极管D2连接到驱动器级210的输入端。反馈电流i控制1流经电阻R1，此后的电流被注入电阻R2。跨接在电阻R2上的电压上升，并且开关T1被导通。开关T1用作电流放大器动作以控制晶体管220a，使得如关于图1所述的功率IGBT200保持在其有源区。抑制命令225在延迟(在本例中)1μs后从而抑制这个动作。在那个时间之后，开关T2被导通并且从电阻R2再没有动作可以发生。当功率IGBT200被导通时，电容器270a、270b、270c通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制半导体开关器件的控制电路，其包括第一反馈路径，所述第一反馈路径在所述半导体开关器件的第一电极和控制电极之间，所述第一反馈路径包括电容，所述控制电路是可操作的，以便在所述第一反馈路径中的所述电容依赖于在所述第一电极上的电压电平。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制半导体开关器件的控制电路，其包括第一反馈路径，所述第一反馈路径在所述半导体开关器件的第一电极和控制电极之间，所述第一反馈路径包括电容，所述控制电路是可操作的，以便在所述第一反馈路径中的所述电容依赖于在所述第一电极上的电压电平；其中所述第一反馈路径包括至少一个阈值器件，所述阈值器件或每个阈值器件引起相应的阈值电压电平被设置，所述控制电路是可操作的，以便在所述第一电极处的所述电压电平超过所述阈值电压电平中的一个时，所述第一反馈路径中的所述电容增加。2.如权利要求1所述的控制电路，其中，所述第一反馈路径包括并联布置的多个电容器。3.如权利要求2所述的控制电路，其中，在所述多个电容器的第一个电容器与所述第一电极之间没有提供阈值器件。4.如权利要求2所述的控制电路，其中，在并联布置的所述多个电容器的每对电容器输入端之间提供了阈值器件。5.如权利要求3所述的控制电路，其中，在并联布置的所述多个电容器的每对电容器输入端之间提供了阈值器件。6.如权利要求4所述的控制电路，其是可操作的，以便每个阈值器件引起相应的阈值电压电平被设置，所述控制电路是可操作的，以便在所述第一电极上的所述电压电平每次超过阈值电压电平时，另一个电容器被切换到所述第一反馈路径中，并且因此对所述第一反馈路径中的所述电容做出贡献。7.如权利要求5所述的控制电路，其是可操作的，以便每个阈值器件引起相应的阈值电压电平被设置，所述控制电路是可操作的，以便在所述第一电极上的所述电压电平每次超过阈值电压电平时，另一个电容器被切换到所述第一反馈路径中，并且因此对所述第一反馈路径中的所述电容做出贡献。8.如权利要求1到7中的任意一个所述的控制电路，其中，所述阈值器件包括瞬态-电压-抑制二极管。9.如权利要求1到7中的任意一个所述的控制电路，其是可操作的，以便当所述控制电极上的电平走低时，所述半导体开关器件开始导通并且所述第一电极上的所述电压电平上升，所述第一反馈路径可操作以施加依赖于所述第一电极上的所述电压电平的反馈信号到所述控制电极，从而减小所述第一电极上的电压电平的上升的速率。10.如权利要求8所述的控制电路，其是可操作的，以便当所述控制电极上的电平走低时，所述半导体开关器件开始导通并且所述第一电极上的所述电压电平上升，所述第一反馈路径可操作以施加依赖于所述第一电极上的所述电压电平的反馈信号到所述控制电极，从而减小所述第一电极上的电压电平的上升的速率。11.如权利要求9所述的控制电路，其可操作以在预定的时间延迟之后停止施加所述反馈信号到所述控制电极，并且将所述电容放电。12.如权利要求10所述的控制电路，其可操作以在预定的时间延迟之后停止施加所述反馈信号到所述控制电极，并且将所述电容放电。13.如权利要求1到7中的任意一个所述的控制电路，其中，所述半导体开关器件是晶体管器件，所述第一电极是集电极/源极，并且所述控制电极是基极/栅极电极。14.如权利要求8所述的控制电路，其中，所述半导体开关器件是晶体管器件，所述第一电极是集电极/源极，并且所述控制电极是基极/栅极电极。15.如权利要求9所述的控制电路，其中，所述半导体开关器件是晶体管器件，所述第一电极是集...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼斯·雷内·皮埃尔·马蒂厄，
申请(专利权)人：美国能量变换公司，
类型：发明
国别省市：美国;US