[发明专利]IGBT的智能栅极驱动器

说明书

技术领域

本文公开的本发明涉及功率半导体装置。更精确地，它涉及反向传导绝缘栅双极晶体管（RC-IGBT）、特别地双模式绝缘栅晶体管（BIGT）的栅极控制器，以及用于驱动这样的RC-IGBT的方法。 

背景技术

IGBT广泛地在例如高压DC（HVDC）设备等包括电压源转换器的高功率开关设备中使用。在这样的应用中，IGBT典型地与并联布置并且在相反的晶体管方向上传导的二极管（“续流二极管”）组合。 

RC-IGBT是这样的芯片，其中晶体管与在相反的晶体管方向上传导的二极管组合。已经提出许多芯片设计并且其在该概念内使用，这已经进一步相对近地开发到BIGT内（参见第13届欧洲功率电子和应用会议，EPE‘09（2009年9月8-10日）的M. Rahimo等人“Realization of high output power capability with the bi-mode insulated gate transistor(BIGT)”）。如本文使用的，术语RC-IGBT涵盖常规RC-IGBT和BIGT两者。BIGT优于其他RC-IGBT设计的特定优势是它们在晶体管和二极管模式两者中的软关断行为。它还似乎可能比早期的RC-IGBT技术更进一步地降低BIGT中的反向恢复损耗。 

RC-IGBT中的栅极-发射极电压控制的方面在WO 2010/149431和WO 2010/149432中论述。这些文献描述适合于对导通命令的模式依赖型响应的栅极-发射极电压控制器。实际上，控制器根据从集电极-发射极电压得到的电压的值并且指示装置是在前向还是反向模式传导而不同地响应。分压器（其除高压电阻器外还可包括一个或多个高压二极管、齐纳二极管和/或电压源）提供该指示电压作为集电极-发射极电压的恒定分数。控制器仅在前向传导模式中响应于所述导通命令而导通晶体管。根据WO 2010/149431，如果控制器检测到电流已经改变它的方向或如果它接收关断命令则释放导通栅极电压。 

第20届功率半导体装置&IC国际研讨会议程（2008年5月18-22日）Rahimo等人的另外的文章“A high current 3300 V module employing reverse conducting IGBTs setting a new benchmark in output power capability”描述用于采用RC-IGBT的反向传导模式来控制它的技术。在采用二极管模式传导期间，栅极-发射极电压保持为负的，来将电荷存储在装置中并且实现低的前向电压降。当二极管即将通过导通相反的IGBT而关断时，短的正栅极-发射极电压脉冲施加于传导二极管来使存储的电荷最小化。可选择使反向恢复电荷和电流最小化的脉冲定时。 

发明内容

本发明的目标是采用开关周期中的整体能效改进这样的方式来控制RC-IGBT的栅极-发射极电压。特定目标是改进在H桥或半桥中（例如在电压源转换器中）布置的RC-IGBT的控制。 

因此，本发明提供具有独立权利要求的特征的控制方法和装置。从属权利要求限定有利实施例。 

在第一方面中，控制方法特征在于导通命令引起持续有限的第一时期的初始高电平栅极电压（或栅极-发射极电压）脉冲。在脉冲期间，小的电流被馈送到连接点，其一方面经由与RC-IGBT本身串联布置的单向传导元件并且另一方面经由与RC-IGBT并联的支路而电连接到RC-IGBT的发射极端子。关于实际电流路径的信息可从在连接点处出现的电位得到。从这可确定晶体管是采用它的前向（或IGBT）模式还是它的反向（或二极管）模式传导。如果电位电流低于（有符号的）阈值，确定晶体管采用它的反向模式传导。然后，栅极电压降低到低电平栅极电压，使得部件上的前向电压减少。 

若干优势与本发明关联。首先，不需要提供专门的分压器。相反，通常连同IGBT布置的那类抗饱和检测电路具有供应必要信息用于确定RC-IGBT是采用前向还是反向模式传导所需要的电性质。此外，因为连接点电位仅在第一时期结束时被监测，允许瞬态电流消失。由于相同的原因，可以以仅可忽略的延迟检测突发模式改变。更精确地，在接收导通命令的时刻读取集电极-发射极电压的极性并且然后在预期瞬态事件的间隔期间中止监测的假设控制算法在该间隔期间将不捕获模式改变，这可导致供应次最优控制信号。 

在一个实施例中，栅极单元（或栅极控制器）负责将电流馈送到连接点。这有利地减少实践本发明所需要的专用硬件的量。