切换导体器件的方法技术

本发明专利技术提供一种导通半导体器件的方法。所述半导体器件包括栅极端、集电极端和发射极端。该方法包括步骤：(i)在接收到导通信号时，施加电压到半导体器件的栅极端来将半导体器件的集电极-发射极电压降低到第一预定电压平台水平，并且保持该电压至半导体器件的栅极端以预定时间段；(ii)在预定时间段之后，控制施加到半导体器件的栅极端的电压来以变化的缓变率改变集电极-发射极电压，直到集电极-发射极电压达到预定电压水平，对施加到半导体器件的栅极端用以改变集电极-发射极电压的电压进行的这种控制包括：将集电极-发射极电压降低到第二预定电压平台水平；将集电极-发射极电压保持在第二预定电压平台水平来调节半导体器件在使用中所位于的电路中的电流的变化速率；并且将集电极-发射极电压降低到半导体器件处于其导通状态的电压水平；以及(iii)控制施加到半导体器件的栅极端的电压来将集电极-发射极电压保持在预定电压水平。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及导通半导体器件的方法，导通串联连接的半导体器件组中的多个半导体器件的方法，以及用于导通半导体器件的电路。本专利技术还涉及关断多个半导体器件的方法，关断串联连接的半导体器件组中的多个半导体器件的方法，以及用于关断半导体器件的电路。
技术介绍
在输电网络中，交流(AC)电力通常被转换成直流(DC)电力用于经由架空线路和/或海底电缆传输。此转换不需要补偿由传输线路或电缆所施加的AC电容性负载的影响，由此减少了线路和/或电缆的每公里成本。从而当需要长距离传输电力时，从AC到DC的转换变得具有成本效益。从AC到DC的电力转换还用于有必要互连运行于不同频率的AC网络的输电网络中。在任何这样的输电网络中，在AC和DC电力的每个交接处均需要转换器来实现所需的转换。电压源转换器通常采用开关来执行为将AC电力转换到DC电力所必需的整流和逆变过程，或进行相反过程。这些开关可以包括半导体器件，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，以改进电压源转换器的效率和开关能力。然而，相对于在高压直流(HVDC)电力传输中使用的高压，这样的半导体器件的额定低压需要使用成串联堆叠结构的多个半导体器件，使得串联连接的半导体器件的组合额定电压能够支持这样的高压。当在导通状态和关断状态之间切换时，重要的是每个串联堆叠结构中的半导体器件同时切换，使得在电压源转换器运行期间的任何时候，施加到半导体器件两端的电压不超过其单个额定电压。所以存在切换得太早或太迟的半导体器件将承受超过其单个额定电压的施加电压的风险。W097/43832公开了一种控制IGBT的关断的方法，以提供对切换串联堆叠结构中的单个IGBT的时间的控制。该方法包括以下步骤:在接收到关断信号时，施加一电压到所述IGBT的栅极，该电压的水平保持电流流过所述IGBT同时允许所述IGBT两端的电压升高到预定水平，并且在预定时间段以后，施加电压功能(voltage funct1n)到所述IGBT的栅极来关断所述IGBT。W02008/032113涉及用于例如为IGBT和MOSFET的MOS栅控功率半导体开关设备的控制方法和电路。在该控制方法中，半导体开关器件两端的电压变化大致跟踪所述二极管两端的电压变化，以避免电压过冲。通过在每个半导体器件的栅极端和集电极端之间连接瞬变电压抑制器(TVS)，可以保护每个半导体器件免受过电压导致的损害。当集电极端和发射极端之间的电压(即集电极-发射极电压)超过TVS开始导通的电压时，电流将从集电极端流到栅极端，从而导致半导体器件导通，因此限制了过电压的程度。然而，上面并没有关注电压如何在串联连接的半导体器件之间分配，并且因此单个半导体器件仍然可能承受超过其单个额定电压的外加电压。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种半导体器件的导通方法，所述半导体器件包括栅极端、集电极端和发射极端，该方法包括步骤:(i)在接收到导通信号时，施加电压到所述半导体器件的所述栅极端来将所述半导体器件的集电极-发射极电压降低到第一预定电压平台水平，并且保持该电压至所述半导体器件的所述栅极端以预定时间段；(ii)在所述预定时间段之后，控制施加到所述半导体器件的所述栅极端的电压来以变化的斜率改变所述集电极-发射极电压，直到所述集电极-发射极电压达到预定电压水平，对施加到所述半导体器件的所述栅极端用以改变所述集电极-发射极电压的电压进行的这种控制包括:将所述集电极-发射极电压降低到第二预定电压平台水平；将所述集电极-发射极电压保持在第二预定电压平台水平，以调节所述半导体器件在使用中所位于的电路中的电流的变化速率；以及将所述集电极-发射极电压降低到所述半导体器件处于其导通状态的电压水平；以及(iii)控制施加到所述半导体器件的所述栅极端的电压来将所述集电极-发射极电压保持在所述预定电压水平。在执行根据本专利技术第一方面的方法之前，所述半导体器件处于关断状态。所述预定时间段被设置为足够长以确保在请求对其集电极-发射极电压的任何改变来进行所述半导体器件的导通之前，所述半导体器件退出其关断状态(并且进入其激活状态)，并且所述集电极-发射极电压达到第一预定电压平台水平。这是因为在它退出其关断状态(并且进入其激活状态)之后，所述半导体器件将很快响应于集电极-发射极电压的任何被请求的变化，并且，由于对于串联堆叠结构中不同的半导体器件，退出关断状态(并进入激活状态)的时间会因为制造公差而变化，所以必须为所述串联堆叠结构中的每个半导体器件提供足够的时间来退出它们各自的关断状态，使得能够以可靠的方式同时导通所述串联堆叠结构中的所述半导体器件。同时，集电极-发射极电压以变化的缓变率变化允许所述半导体器件来控制使用中其所位于的电路方面，从而限制这样的电路方面对半导体器件具有的任何不利影响。更具体地，所述半导体器件在其集电极-发射极电压处于最低值时被认为是被完全导通的，并且在所述半导体器件的导通期间，可能在所述半导体器件所在的电路的杂散电感两端会产生残余电压。残余电压的大小由前述电路中的电流的变化速率确定，并且反过来，残余电压的水平影响所述半导体器件的集电极和发射极间的电压，这是因为它至少部分地等于施加在所述电路的第一端子和第二端子间的DC电压减去前述残余电压。将半导体器件的集电极-发射极电压保持在第二预定电压平台水平(即负缓变率后跟随零缓变率)，调节所述电路中的电流变化速率，并且因此有助于限制该残余电压，从而限制所述半导体器件被导通时两端的电压。此外，调节所述电路中的电流的变化速率也指示了在所述电路的另一个分支部中的任何反向并联的保护二极管的电流变化速率，并且因此有助于保持控制这样的反向并联二极管的反向恢复，从而使导通的反向并联二极管成功地完成反向恢复并切换到阻挡状??τ O否则，如果所述电路中的变化速率未得到调节，则导通的二极管可能无法完成反向恢复并且因此保持导通。在这种情况下，与保持导通的二极管关联的半导体器件两端将具有极低的电压，同时在前述的半导体器件的所述导通期间，在所述电路的其他分支部中，与另一个反向并联保护二极管关联的任何其余的半导体器件将在其两端具有由另一个分支部支持的全DC电压的增大的份额。作为这样的完成反向恢复的失败的结果，在另一个分支部中半导体器件之间的电压分配将不平均。所以，按照根据本专利技术第一方面的方法导通半导体器件使串联堆叠结构中的半导体器件能够可靠地分配电压，有利于它们以安全和高效的方式导通。根据本专利技术第一方面的方法可以进一步包括以下步骤:使用监测所述集电极-发射极电压的闭合反馈环来限定施加到所述半导体器件的所述栅极端的电压。这提高了导通所述半导体器件的可靠性。根据本专利技术第二方面，提供了一种导通一组串联连接的半导体器件中的多个半导体器件的方法，每个半导体器件包括栅极端、集电极端和发射极端，该方法包括以下步骤:(i)在接收到导通信号时，施加电压到每个半导体器件的栅极端来将该半导体器件的集电极-发射极电压降低到第一预定电压平台水平，并且保持该电压至每个半导体器件的栅极端以预定时间段；(ii)在所述预定时间段之后，控制施加到每个半导体器件的栅极端的电压来以变化的缓变率改变集电极-发射极电压，直到集电极-发射极电压达到预定电压水平，对施加到每个半导体器件的栅极端用以改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导通半导体器件的方法，所述半导体器件包括栅极端、集电极端和发射极端，所述方法包括以下步骤：(i)在接收到导通信号时，施加电压到所述半导体器件的所述栅极端来将所述半导体器件的集电极‑发射极电压降低到第一预定电压平台水平，并且保持该电压至所述半导体器件的所述栅极端以预定时间段；(ii)在所述预定时间段之后，控制施加到所述半导体器件的所述栅极端的电压来以变化的缓变率改变所述集电极‑发射极电压，直到所述集电极‑发射极电压达到预定电压水平，对施加到所述半导体器件的所述栅极端用以改变所述集电极‑发射极电压的电压进行的这种控制包括：将所述集电极‑发射极电压降低到第二预定电压平台水平；将所述集电极‑发射极电压保持在第二预定电压平台水平，以调节所述半导体器件在使用中所位于的电路中的电流的变化速率；以及将所述集电极‑发射极电压降低到所述半导体器件处于其导通状态的电压水平；以及(iii)控制施加到所述半导体器件的所述栅极端的电压来将所述集电极‑发射极电压保持在所述预定电压水平。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·克鲁克斯，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH