控制触头驱动系统技术方案

本发明专利技术涉及多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括适应于提供参考电流用于上拉和/或下推功率半导体装置的控制触头的电流驱动器单元（1），以及适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的控制触头的电流分配器单元（3），其中电流分配器单元（3）包含包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜（2）以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜（2），相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，并且上拉晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流并且下推晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收下推电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括电流驱动器单元，适应于提供参考电流用于上拉(pull-up)和/或下推(push-down)功率半导体装置的控制触头；以及电流分配器单元，适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的控制触头。本专利技术还涉及包括控制触头驱动系统和多个功率半导体装置的功率半导体模块。本专利技术还涉及包括多个更改的功率半导体模块的功率半导体阵列以及用于操作控制触头驱动系统、功率半导体模块和/或更改的功率半导体模块的方法。
技术介绍
功率半导体装置(例如绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BiopolarTransistor, IGBT)、反向导通绝缘栅双极晶体管(reverse conducting IGBT)和/或双模式绝缘栅晶体管(B1-mode insulated Gate Transistor, BIGT))通常用作用于非常高的电流和电压的快速开关装置。由于它们的优异的电性质和相对简单的驱动，IGBT的普及上升。它们广泛用在诸如电动机控制设备(例如用于混合和电车、机车、船推进、工业设备、机器等)、DC电传送例如DC-AC转换器、风力和太阳能电力转换器和同步器、电力网络余弦φ补偿器、应急电力供应等应用。多个IBGT裸片(die)通常并联连接地封装在模块中，以增加它们的开关能力，如现有技术图1中所示。在栅极的这样的并联连接中出现的问题在于栅极中的缺陷以及特别地栅极和发射极之间的短路连接使模块中的所有IGBT装置不可控制。
技术实现思路
因此，本专利技术的目标是提供用于驱动多个功率半导体装置(例如IGBT)的控制触头的系统，以使功率半导体装置的控制触头和主触头(main contact)之间(例如IGBT的栅极和发射极之间)的短路不影响整个系统的整体稳定性和/或可控性。此目标由独立权利要求实现。另外优选的实施例在从属权利要求中提供。因此，由用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统来达成该目标，该控制触头驱动系统包括电流驱动器单元，适应于提供参考电流用于上拉和/或下推功率半导体装置的控制触头；以及电流分配器单元，适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的控制触头，其中电流分配器单元包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜(current mirror)以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜,所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比第一电压源更低的电压的第二电压源，相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，并且上拉晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流并且下推晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收下推电流。因此本专利技术的基本思想是提供电流反射镜用于另外放大和/或分配电流来开关多个功率半导体装置的个体控制触头，例如放大和/或分配正和负电流脉冲到多裸片IGBT模块的栅极。这样，控制触头驱动系统提供用于驱动多于单个控制触头和/或多于单个功率半导体装置。由于个别地驱动功率半导体装置和/或功率半导体装置的控制触头，所以控制触头的失效(例如IGBT功率半导体装置的栅极和发射极之间的短路连接)不使所有功率半导体装置不可控制。控制触头驱动系统和/或电流驱动器单元可以实现为电路，例如混合或甚至更好的集成电路，并且优选地囊封在功率半导体模块内，因此与受控的装置(例如晶体管)紧密接触。控制触头驱动系统通过提供相等的驱动电流到功率半导体装置的控制触头，从而提供所连接(例如，并联连接)的所有功率半导体装置的相等的开关过程，因此避免如由现有技术已知的来自使用个体控制触头驱动器的失配。优选控制触头驱动系统内使用的所有电气装置配备有“良好”匹配的电性质并且放置在相等的环境(在温度、电源电压等方面)中，以使用于功率半导体装置的控制触头的相应驱动电流也“良好”匹配。在优选实施例中，作为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导通绝缘栅双极晶体管(reverse conducting IGBT)、双模式绝缘栅晶体管(BIGT)和/或由现有技术已知的任何其它功率MOS提供功率半导体装置。优选作为栅极提供控制触头，作为发射极提供第一主触头和/或作为功率半导体装置(例如IGBT)的集电极提供第二主触头。优选第一电压源提供大于零的电压和/或第二电压源提供小于零的电压或相对于功率半导体装置的主触头(例如接地)为零的电压。在另外的实施例中，用于上拉的电流或上拉电流包括大于零的电流和/或用于下推的电流或下推电流包括小于零的电流。关于上拉晶体管和/或下推晶体管，控制触头优选包括栅极，第一主触头包括源极和/或第二主触头包括相应晶体管的漏极。更优选地，作为场效应晶体管提供上述晶体管。在另外优选的实施例中，上拉电流反射镜包括基于PMOS的上拉参考晶体管并且下推电流反射镜包括基于NMOS的下推参考晶体管，上拉参考晶体管的第一主触头连接到所有上拉晶体管的第一主触头并且下推参考晶体管的第一主触头连接到所有下推晶体管的第一主触头，上拉参考晶体管的控制触头连接到上拉晶体管的控制触头并且下推参考晶体管的控制触头连接到下推晶体管的控制触头，并且上拉参考晶体管的第二主触头连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流并且下推参考晶体管的第二主触头连接到电流驱动器单元用于接收下推电流。因此，根据本实施例，电流(优选来自电流驱动器单元的电流脉冲)施加到参考晶体管，参考晶体管优选地处于“二极管”连接用于限定上拉晶体管和/或下推晶体管的偏置电压。在特别优选的实施例中，控制触头驱动系统包括电流传感器，用于检测功率半导体装置的控制触头的故障，其中电流传感器连接到上拉晶体管的第一主触头和/或下推晶体管的第一主触头。由于电流传感器优选适应于测量向电流分配器单元流动的电流值并且在该值大于预定义的阈值的情况下激活警报等，所以这样的实施例有利于检测短路的栅极。在另外优选的实施例中，上拉电流反射镜包括多个基于PMOS的电压限制装置并且下推电流反射镜包括多个基于NMOS的电压限制装置，至少一个电压限制装置与上拉晶体管或下推晶体管和下推或上拉晶体管之间的其主触头串联连接。优选作为级联晶体管(cascoding transistor)提供该电压限制装置。提供这样的电压限制装置或级联晶体管允许限制直接连接到功率半导体装置的晶体管两端的电压并且使用低压CMOS技术用于相对高的操作电压。另外由包括如上所述的控制触头驱动系统和多个功率半导体装置的功率半导体模块来达成本专利技术的目标，其中相应功率半导体装置的控制触头连接到相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头。在另一实施例中，功率半导体装置以组来安排以使相应组的功率半导体装置的第一主触头全部并联连接并且以使相应组的功率半导体装置的第二主触头全部并联连接。在另外的实施例中，至少第一组的第二主触头连接到第二组的第一主触头。安排这样的组中的功率半导体装置允许开关更高的电压和/或电流。根据另一实施例，多个功率半导体装置和电流分配器单元接合到层压衬底，其中电流分配器单元优选以CMOS或双极技术实现并安装在IGBT模块衬底上。在另外特别优选的实施例中，作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括适应于提供参考电流用于上拉和/或下推所述多个功率半导体装置的控制触头的电流驱动器单元（1）以及适应于放大和/或分配所述参考电流到所述功率半导体装置的所述控制触头的电流分配器单元（3），其中所述电流分配器单元（3）包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜（2）以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜（2），所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比所述第一电压源更低的电压的第二电压源，相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，以及所述上拉晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述电流驱动器单元用于接收上拉电流并且所述下推晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述电流驱动器单元用于接收下推电流。

【技术特征摘要】
2011.10.26 EP 11186714.91.一种用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括适应于提供参考电流用于上拉和/或下推所述多个功率半导体装置的控制触头的电流驱动器单元(I)以及适应于放大和/或分配所述参考电流到所述功率半导体装置的所述控制触头的电流分配器单元(3)，其中 所述电流分配器单元(3)包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜(2)以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜(2)， 所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比所述第一电压源更低的电压的第二电压源， 相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，以及 所述上拉晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述电流驱动器单元用于接收上拉电流并且所述下推晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述电流驱动器单元用于接收下推电流。2.根据以前的权利要求所述的控制触头驱动系统，其中所述上拉电流反射镜(2)包括基于PMOS的上拉参考晶体管并且所述下推电流反射镜(2)包括基于NMOS的下推参考晶体管， 所述上拉参考晶体管的所述第一主触头连接到所有所述上拉晶体管的第一主触头并且所述下推参考晶体管的所述第一主触头连接到所有所述下推晶体管的第一主触头， 所述上拉参考晶体管的所述控制触头连接到所述上拉晶体管的所述控制触头并且所述下推参考晶体管的所述控制触头连接到所述下推晶体管的所述控制触头，以及 所述上拉参考晶体管的所述第二主触头连接到所述电流驱动器单元用于接收所述上拉电流，并且所述下 推参考晶体管的所述第二主触头连接到所述电流驱动器单元用于接收所述下推电流。3.根据前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统，包括电流传感器(6)，用于检测功率半导体装置的控制触头的故障，其中所述电流传感器(6)连接到所述上拉晶体管的所述第一主触头和/或所述下推晶体管的所述第一主触头。4.根据前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统，其中所述上拉电流反射镜(2)包括多个基于PMOS的电压限制装置并且所述下推电流反射镜(2)包括多个基于NMOS的电压限制装置，至少一个电压限制装置与所述上拉晶体管或所述下推晶体管以及所述下推晶体管或所述上拉晶体管之间的其主触头串联连接。5.一种功率半导体模块(4)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统和多个功率半导体装置，其中相应功率半导体装置的所述控制触头连接到相应上拉晶体管的所述第二主触头和相应下推晶体管的所述第二主触头。6.根据以前的权利要求所述的功率半导体模块(4)，其中所述功率半导体装置以组来安排，以使相应组的所述功率半导体装置的所述第一主触头全部并联连接并且以使所述相应组的所述功率半导体装置的所述第二主触头全部并联连接。7.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(4)，其中至少第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：N斯拉沃夫，R施内尔，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：