一种用于控制受电荷电压控制的功率半导体器件的装置

摘要

一种用于控制电荷电压控制的功率半导体器件的装置,该器件是用于转换电能的,所述装置包含构件(18－25),这些构件通过与功率半导体器件的连接来探测描述功率半导体器件功能的选定参数。该装置还包括器件26,用来比较选定功能参数值和参考水平;一个可编程电路16,用来产生参数电平,用来比较和处理比较所得的结果,在此基础上发送一个相应于进出器件栅极的预定电流水平的数字信号;一个数字控制恒流源30,用来接收来自可编程电路的数字信号,并在此基础上,用来产生一个进出具有控制装置件的所述预定电流水平的功率半导体器件的电流。

说明书

本发明涉及一种装置，用于在用来转换电功率的设备中控制受电荷电压控制的功率半导体器件，它包括适用于检测所述功率半导体器件的功能参数的构件，以及适用于根据检测到的功能参数值控制功率半导体器件的栅极和发射极之间的电压的装置，从而据此控制该功率半导体器件。

受电荷电压控制的功率半导体器件意思是功率半导体器件在静态的时候即当它们主要是通过加在功率半导体器件的栅极和发射极之间的电压导通或截止时受电压控制，在静止的状态之间进行转换的时候通过电荷来控制，这是因为由于改变栅极和发射极之间电压的已有电容的结果要求传送数量可观的电荷从栅极和到栅极。

要指出的是，这儿包括了全部类型的这种功率半导体器件，例如IGBTs(绝缘栅双极型晶体管)和MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)，其中在权利要求和说明书中的“发射极”和“集电极”被给予了一个广泛的定义，它也包括半导体器件的相应层或者区域，它们可具有另外的名称，例如分别为漏极和源极。

用于转换电功率的设备可以是任何类型，例如网络转换器，电动机变换器，电池充电器等等，它们所共有的一个东西，即包括在其中的功率半导体器件通常得要用很高的频率来准确地控制，也就是说，控制必须具有一个很高的速度，最好是达到毫微秒范围内的反应时间。

当在某个特定的设备或者在功率半导体器件中发生不同的故障时，为了能够采取某些保护功能，具有这个速度就是尤其重要的了，这样可以避免对功率半导体器件或者其它包括在设备中的部件可能造成的损害，或者是可以非常有效地限制这种损害的延伸，从而降低修理的费用。

这种控制的一些目的例如是通过下述实现的在短路时对功率半导体器件实现过压保护，对与功率半导体器件有关的续流二极管(free-wheeling diode)的所谓的复原现象进行控制，优化开关损耗，在时间上控制集电极-发射极-电压和集电极电流。

已知的该类型的装置以来自功率半导体器件的集电极和发射极的模拟反馈为基础，以便形成一个闭合的模拟调整电路或者回路，从而控制开启和关闭过程，保护功率半导体器件。因此，在受控制的功率半导体器件和控制装置的类似功能之间发生了多参数的相互作用。用这种方式设计的这种控制装置存在一个构造的问题，使得它不可能一般化，也就是说，要制造一个控制装置，它可以被用于控制不同的功率半导体器件或者用于不同的应用。不同的功率半导体器件具有独特的属性，加上正讨论的本装置的不同的主电路，产生了大量的调整对象，这样每次都要求对装置的调整硬件做独特的调整，然后产生一个独特的硬件。此外，在所述的设备的不同的使用情况下，函数特性例如电压和电流微分系数的不同需求也要求对控制装置做大量的独有的调整，每次改变这些要求，就不得不制成一个独特的硬件。

本发明的目的是提供一种在序言中定义的装置，经过设计，它可以被认为是通用的，也就是说，它可以被用来控制具有不同属性的功率半导体器件，满足应用方面的不同需求。

要达到本发明的这个目的，可以通过在这样一个装置中安置所述的构件以检测选定的参数，该选定的参数描述了功率半导体器件的功能，其中所述构件连接到功率半导体器件，本装置还包括：一个装置，适用于将检测到的选定的功能参数的值与参考数据比较；一个可编程电路，适用于产生参考数据以供比较，并处理比较得到的数据，从而在它的输出电路上输送一个相应于预定电流水平等级的数字信号到功率半导体器件的栅极，或从其输入；以及一个数字控制的恒电流放大器，也就是说，装备有在恒流方式下工作的电流源，适合接收来自可编程电路的数字信号，并在它的基础上通过所述的电流源产生一个流入或流出具有所述的预定电流水平的功率半导体器件的栅极的电流，用于控制这个功率半导体器件。

利用这样一个事实，即用这种方式管理的控制装置没有任何类似的封闭的反馈，它改为使用间接的确定功率半导体器件的所预期的作用，本控制装置可以被用于不同的主电路或设备中的不同的功率半导体器件。根据选定的重要功能参数的值来控制流入或流出器件的栅极的电流，从而实现控制功率半导体器件，其中很重要的是，可以迅速地控制电流或者选择这个变通办法来代替已知的封闭的反馈，这使得有可能利用一个数控的和适用于接收来自可编程电路的数字信号的恒流转换器，并在它的基础上根据检测到的参数与所述基准电平的比较结果产生达到可编程电路的电流。

对照已知的上述控制装置，根据本发明类型的器件的优点是非常之多的。在生产所述的设备时，以及制造和使用该控制装置时，必需的硬件的总数被减少了，这意味着在控制装置的功能有了新的需求时，不必每次都修改测试设备了。此外，在不同的设备中可以使用相同的控制装置，使得不同的控制装置的总数和制造时所需要的存储容量以及不同的备用零件的数量就减少了。此外，改变控制装置的构造的资料以及用于控制装置的维修费用也就因此而减少了。而且，通过可编程性，相对于可能要根据不同的用法来匹配控制装置的功能，例如不同的电压系统，不同的功率半导体器件和不同的变换器设备，可以获得一个灵活的适应性，因此，例如一个新的硬件可以替换一个弄坏的硬件或者一个已经不再制造的控制装置。唯一的要求是要维持控制装置与外界的机械接口。此外，当以前的器件由于改进和修改已经不再生产时，买主可以在一段时间之后更换功率半导体器件。在使用时出现的几个难题可以通过对合适的硬件重新编程而解决，不需要由一个新的或者适合的硬件来更换这个硬件。可编程性同时产生的一个事实就是可以通过利用可编程电路在安放控制装置的控制卡上实现自动测试。还有更多的优点。

根据本发明的最佳实施例，所述的构件与功率半导体器件的集电极、栅极和发射极连接，用于分别地检测这个功率半导体器件的集电极-发射极-电压和栅极-发射极-电压，作为所述的选定的参数。它还适合确定功率半导体器件的集电极电流的时间微分系数，在本发明的一个最佳实施例中，可以通过安置一个辅助的发射极连接到功率半导体器件的发射极，使它们之间的连接比所谓的主发射极连接更为接近，用于避免在测量构件时与功率半导体器件的主发射极连接所产生的寄生的电感，并目测量辅助的和主要的发射极连接之间产生的电压，从而通过一个事实，即可编程电路利用用这种方式检测到的参数来设计出入该器件栅极的预定电流水平，以测量集电极电流的时间微分系数，从而有效地控制功率半导体器件的开启关闭，和保护过程。

根据本发明的一个最佳实施例，可编程电路具有一个用于配置连接的元件，用于可编程电路的重新配置，也就是说，可编程电路的重编程序。这个优点从上面的讨论体现出来。根据本发明的另外一个最佳实施例，改变这个可编程电路，以便在所述的设备开始工作之后，能够通过所述的编程连接来改变保护的控制函数，调整所述的基准电平。用这种方式，将始终可以逐渐地改变控制装置以达到用户可能改变的要求，或者是旧的功率半导体器件被替换时，能适应新的功率半导体器件。

根据本发明的另外一个最佳实施例，这个装置包括用于提供馈电直流电压的构件，用于装置的运行，它具有一个构件来监督到装置不同部件的馈电直流电压，并向可编程电路通知它的状态。用这种方式，可编程电路可以在制定它的次序时，考虑这些馈电电压。

根据本发明的另外一个最佳实施例，它包括一个保护配置，通过使得在馈电直流电压没有被递交给装置这个时段内，功率半导体器件的栅极和发射极之间的电压被保持在低于激活功率半导体器件所需的电平，从而保护功率半导体器件避免在紧接着退出馈电直流电压时发生无法控制的开启。通过这个方法，在发生操作故障时，避免了功率半导体器件被破坏。

根据本发明的另外一个最佳实施例，这个放大器具有：第一组电流源，以输送强度互相不同的电流到功率半导体器件的栅极；和第二组电流源，以从功率半导体器件的栅极产生强度互相不同的电流；以及构件，以根据来自可编程电路的数字信号控制这些电流源，用于控制功率半导体器件。对功率半导体器件的控制可以用这种方式按要求的高速度进行，也就是说，在毫微秒的范围内进行，通过快速地改变由所述的电流源产生的进出功率半导体器件的栅极的电流来进行。

根据本发明的另外一个最佳实施例，它构成对最后提到的实施例更进一步的改进，可编程电路适用于按照多位字形式输送所述的数字信号，在本形式中，每个位对应于放大器中的一个单独的电流源，不同的电流源的电流值是位加权的。来自可编程电路的数字信息可以如此迅速地被D/A转换成预定的电流值，它是通过比较上述进出功率半导体器件栅极的电流而得到的，而对D/A转化没有任何时间上的要求，除了用于激活电流源的时间外。

根据本发明的另外一个最佳实施例，它还构成具有两组电流源的实施例的更进一步的改进，每个所述电流源包括两个双极型晶体管，其中第一个适用于具有加到集电极和发射极之间的电压，它的基极与放大器的输入电路相连，用于接收具有适当定义电压电平的数字信号，第二个通过它的基极连接到第一个的集电极，通过它的集电极连接到功率半导体器件的栅极，用于产生一进出栅极的电流，两个晶体管被相连到总是在线性工作的范围内，或者被关掉，其取决于在第一个晶体管的基极是否接收一个数字“1”或者“0”，其中第一个晶体管适用于驱动第二个晶体管。通过用这种方式连接对应配对的两个晶体管，可以用要求的高速度来改变(也就是说控制)第二晶体管和输送到功率半导体器件的栅极的电流，按照一个事实，即双极型晶体管在线性工作的范围内时，它们可以被迅速地开启和关闭。

本发明的更多优点和实质特征将从下列描述和其它相关的权利要求中体现出来。

参照附图，在下面是对本发明的最佳实施例的描述。

在附图中：

图1是一个简化的电路图，举例说明根据本发明的控制装置可以如何被安放在用于把直流电压转换为交流电压以及进行相反操作的设备中；

图2是一个方块图，其中非常简单化的举例说明根据本发明的最佳实施例的一个控制装置；

图3是在图1中说明的控制装置的更详细一点的一个视图；

图4是一个电路图，举例说明由图2的控制装置数字式控制的恒流放大器的构造；

图5是一个示意图，举例说明按照图4被数字式控制的恒流放大器的阻抗性的未级；

图6是一个示意图，举例说明在由控制装置控制的功率半导体器件的不同的状态中，流入或流出按照本发明的控制装置的功率半导体器件的栅极的电流值不同时，集电极-发射极-电压和集电极电流随时间的变化情况。

在图1中图示了根据本发明的装置的一种可能的应用，本装置形式上是用来控制受电荷电压控制的功率半导体器件1，其形式上例如为在一个测量点中所谓的“穿通”(PT)-或者“非穿通”(NPT)-类型的IGBT，用于把交流电压转换为直流电压以及反过来，图中一个包括两个被串联的所谓电流阀部件5,6的相位引线4，其配置在一个直流电压网络的两个电极2,3之间。显示了电流阀门部件如何包括功率半导体器件和按照反平行连接的整流二极管7，但是在这张图中被显示的是用于一个或者多个这种功率半导体器件以及串联的二极管的符号，因为各自的阀门部件在功率半导体器件的阻断状态所具有的电压可能对功率半导体器件来说太高了，例如在100kV的状态，而功率半导体器件可能只能承受1-10kV。通过用这种方式在各自的电流阀门部件中串联许多的这种器件，电压可以被分配在不同的器件之中。然后这些被同时控制，使得它们作为一个单一的转换装置来运行，在使用IGBTs的情况下，可以精确地实现，以及根据本发明的控制装置处在这种适合的情况，适于同时地控制被同样地包括在电流阀门部件中的不同的功率半导体器件。用于交流电压网络的相位的相位引出线9与相位引线4的一个中点8相连。不同的电流阀门部件的功率半导体器件被交替地打开和关闭，从而交替地把相位插座9分别地连接到两个电极2和3的电位上，用于按照一种传统的方式产生交流电压。迄今为止所描述的内容包括传统的技术。

用于控制对应功率半导体器件的装置10与各自的功率半导体器件1相连，在图2中更详细一些地描述了它的构造，并且在图3中甚至更详细，现在在下面的描述也参照了这两个图。本装置接收一个馈电直流电压，用于包括在输入电路11中的零组件的运行，并具有一个DC/DC转换器12，用于把馈电直流电压转换为二级馈电直流电压，以适合于不同的零组件的运行。本装置通过一个光导体接收来自用于整个功率变换器的上级电子元件的另外一个输入电路13的光信号，用于协调对应阀门部件的功率半导体器件的控制和测量点的剩余部分的控制。通过使用一个用于这些位的光导体，在位于低电位的上级控制电子元件和通常位于高电位的电流阀门的阀门部件之间实现了电流的分离。在这里，信号可以在这个光导体14上适当地在两个方向上被传递。这些信号通过一个构件15被转换成传送到作为装置的一部分的可编程电路16的电压信号，例如ispLSI(在系统内可编程LSI)，PLD(可编程逻辑器件)或者CPLD(复合可编程逻辑器件)。

本装置也具有一个到可编程电路的输入电路17，用于连接一台计算机(PC机)，用于对电路做所预期的重编程。

本装置具有下列到功率半导体器件的连接：所谓的控制集电极(或者辅助的集电极)到器件的集电极的连接18比所谓的主集电极连接19要更近一点，通过它，变换器的一个电流传导路线，即直流电压网络的一个电极导体与集电极相连，使得在装置的连接18上避免了主集电极连接的寄生电感。本装置具有一个按照一种参照方式的所谓的控制发射极(或者辅助的发射极)到功率半导体器件的发射极的连接20的距离比到所谓的主发射极连接要更近一点，通过它，本设备的一个电流传导路线，即交流电压相位引出线9与发射极相连，使得在装置的连接20避免了主发射极连接21的寄生电感。因此，我们研究在图1最上面所示的带有控制装置的电流阀门部件。本控制装置也具有一个到主发射极连接21的连接22。最后，本装置通过栅极连接23与功率半导体器件的栅极相连。

本控制装置或者通常所称作的控制构件适用于根据信息控制功率半导体器件，其中描述功率半导体器件的运行信息可以通过与选定参数有关的连接被接收到。这些参数最好是集电极-发射极-电压，它可以从连接18和20或者21收到，栅极-发射极-电压，其可以从连接23和20或者21接收到，以及集电极电流的时间微分系数，它可以由连接20和21收到，因为紧接着迅速的改变通过功率半导体器件的集电极电流，主发射极连接21的寄生电感将导致在两个连接20和21之间产生一个相当的电压，大约是在50V的量级。

来自连接18以及来自连接22的电压信号通过所谓的标准化程序块24和25分别地接收，它们适用于把不同的检测电压信号分开为不同的测量范围的信号，正如在图3中为24所举例说明的。用这种方式获得的信号适合在装置26被处理，装置26根据这些信号与相应于通过连接23发送到或者来自功率半导体器件的栅极的电流的预定的电流数值之间的比较结果进行调整，这一电流用于控制在下文中在某种程度上将更进一步被说明的功率半导体器件。所述的基准电平通过可编程电路16而产生，并以数字信号的形式被发给比较装置26，它在转换器27中被转换成类似的信号，用于在不同的比较器28与出自程序块24和25的信号相比较。这个比较装置26适用于发送比较的结果到可编程电路16，它适用于处理这些数据，从而根据这些数据在输出线路29输送一个数字信号，相应于进出功率半导体器件的栅极的预定电流水平的一个量级。

此外，这个装置包括一个恒流放大器30，它被数字化控制并调整以接收来自可编程电路16的数字信号，并在这个基础上产生一个进出具有所述的预定的电流水平的功率半导体器件栅极23的电流，用于控制这个功率半导体器件。为了这个缘故，放大器具有两组电流源，它们被概括为31和32，即第一个，用于产生一个到功率半导体器件的栅极的电流，和第二个，用于产生一个来自这个栅极的电流。放大器的构造将在下面主要地参照图4和5被更详细地说明。

这个装置也具有一个所谓的“栅极警戒”33，它形成一个保护配置，通过在馈电直流电压没有被递交给这个装置的时候，使得功率半导体器件的栅极和发射极之间的电压低于激活功率半导体器件所需的电平，从而在馈电直流电压降低时，保护功率半导体器件免受不受控制的开启。此外，这个装置装备有一个构件34，以检查到装置的不同部分的馈电直流电压，并把这个状态通知给可编程电路。

在图4中更详细地显示了这个放大器。它具有一个快速的强电流数字式缓冲器38，安放在放大器的输入电路中，以接收由可编程电路16传送的弱数字信号，到达输入电路37，并放大以及把它电平稳定化。缓冲器被加上5V电压，在输出线路的逻辑值“1”表示一个稳定的，被适当地定义的电压，例如4.6V。利用第一个双极型晶体管35的基极与缓冲器的输出线路相连这一事实，它接收一个稳定的4,6V的数字信号，因此，晶体管35将迅速地把发射极电位升高到大约4V。晶体管35通过电阻器41与零电位相连。利用晶体管35的的电压下降基极发射极是0.6V这一事实，在电阻器41上的电压将是4V。相应地，一个恒定电流将通过电阻器41，集电极电流将是一个常数，并被适当地定义为通过电阻器41的电流=电阻器41上的电压/电阻器41的电阻。

放大器具有第二个双极型晶体管36，它的基极与第一个双极型晶体管的集电极相连。第一个双极型晶体管的集电极通过电阻器39与+V相连，同时，第二个晶体管36的发射极通过电阻器40与相同的电位相连。此外，第二个双极型晶体管36的集电极与功率半导体器件的栅极23相连。

如此选定电阻器41和39，从而产生一个稳定的参考电压，用于第二个晶体管36的基极，并保持晶体管35在线性工作范围内，即在晶体管35的集电极-发射极之上的电压总是比两个伏特更大。这个用于第二个晶体管的基极的基准通过电阻器39而产生，并且这个过程是重复的，按照一个事实就是晶体管36迅速地把发射极电位升高到基极电位+0.6V的电平，其中直通电流通过电阻器40，产生了一个适当定义的和恒定的晶体管36的集电极电流到功率半导体器件的栅极23。

因此，通常可以说由第一个晶体管35和电阻器41形成的电流源驱动由第二个晶体管36和电阻器40形成的电流源。这是达到被数字化控制的恒流放大器的高速的关键。众所周知的是，一个双极型晶体管在线性工作范围内时，可以被迅速地关掉，这可以通过没有空穴从基极进入集电极层这个事实来解释。第一个晶体管35和第二个晶体管36都在这样的情况下，就是要么在线性工作范围内，要么被关掉。为了更进一步缩短开关时间，电阻器39,40和41的值非常低，以便在开关时能迅速地传送载流子。在第一个晶体管35的基极数字信号同时从缓冲器38接收到这个事实将被参考用于一个模拟电流值，以及在下面描述的在这种方式被加权的电流源，因此，不需要时间来用于任何的数字/模拟转化，这些事实都是对放大器达到高速的帮助。更准确的，每组n具有输入电路37和n对双极型晶体管，即电流源，然而在35,41加36,40被当做一个电流源这个事实中，以及在图4中所看到的上一个组中，适用于产生一个到功率半导体器件的栅极的电流，下面的组产生一个来自功率半导体器件的栅极的电流。

要指出的是，在恒流方式下切换的两个晶体管35,41和36,40，被需要以获得一个电平移动作为通过对数字电路馈电而为可编程电路和缓冲器38馈电的结果，常常是+5V，同时这个恒流的数字式放大器在+V和-V电位之间转换，常常比5V更高。

产生一个来自功率半导体器件的栅极23的电流的电流源，即属于在图4中显示的下面的组，是根据如上面的组相同的技术构造的，但在另一个晶体管恒流方式下完成，从而获得一个从+V到-V的电平移动。这是由晶体管51实现的。

还要指出的是，在图4显示的全部晶体管都在线性工作范围内工作。恒流方式的电流源不仅仅用于使放大器加速，还用于迅速地压制一个值被适当地定义的电流(电荷)进入功率半导体器件的栅极，即使存在有连接的寄生电感和功率半导体器件的内部阻尼电阻，这个值常常很大程度上取决于温度。此外，当紧接着开启功率半导体器件后，栅极23和发射极20之间的电压从-V变为+V，或者是紧接着关闭功率半导体器件后，从+V到-V时，在几乎整个+/-V的电压范围内，电流源能够输送一个恒定电流值，即一个适当地定义的电荷。

此外，可编程电路适用于在复合的位字形式输送所述的数字信号，其中每个位相应于放大器中的一个单独的电流源，即用于两个n输入电路的单独一个，不同的电流源的电流值是用较次要的电流源来位加权的，即根据2⁰…2^n-1，从最高点开始，相对于输入电路37向下进行权的增加，如图4所示。在不同的输入电路37中的数字式信号直接的转化为在不同的第一个双极型晶体管的基极的模拟的电压信号，以及电流源构造的方式使得有可能按照需要地在20ns快速改变，即控制，进出功率半导体器件栅极的电流。

然而，在功率半导体器件的栅极23被充到+V时，从+V来的电流源不可能输送电流。这时，只有当栅极23的电位低于第一个双极型晶体管35的基极的电位时，才能获得所要求的恒定电流，并且这个电流源将推动较小的电流，直到它到达底部(非线性工作范围)，并慢慢接通。这个相应的限制也用于电流源产生来自功率半导体器件的栅极的电流的时候。为了给这些不便查找一个补救的办法，用在图5中举例说明的非恒流的阻抗末级42来补充放大器。为了把功率半导体器件的栅极充电达到+V电位，在+V和电阻器43之间连接了一个P-沟道-MOSFET-晶体管52，按顺序与功率半导体器件的栅极23相连。晶体管52的栅极主要通过与数字控制信号45相连的电平移动电路来控制开关。一个n-沟道-MOSFET-晶体管53以一种相应于给功率半导体器件的栅极充电向下到-V电位的方法连接在-V和电阻器44之间，其按顺序与功率半导体器件的栅极23相连。晶体管53的栅极主要通过与数字控制信号46相连的电平移动电路来控制开关。

在图6中举例说明了功率半导体器件如何通过改变控制电流47来控制。当接通或者开启功率半导体器件时，一个on信号在输入电路13第一个被收到，于是可编程电路将根据一个预先编好程序的算法来开启功率半导体器件。当馈电电压应该是正电流源时，即电流源传导电流到栅极，馈电电压将把控制电流47增加到10A。当在控制装置中测量到的栅极-发射极-电压大约是3V时，控制电流被减少到大约6A。当在主发射极和辅助的发射极之上的电压表示了一个正的集电极电流时间微分系数之后，控制电流被减少到1A。当相应的电压表明一个负的集电极电流时间微分系数之后，这个电流被增加，以便迅速地充电，使栅极发射极电位达到+15V。在那之后，功率半导体器件被打开，并将接通到时刻50，在那一时刻，关闭程序按照下列方式被启动：在输入电路13收到关闭信号，可编程电路将根据一个预先编程的算法关掉功率半导体器件，负电流源将首先使控制电流增加到-12A。当所测量到的集电极-发射极-电压超过10V时，控制电流减少到4A。当集电极-发射极-电压超过预先编程的过压保护电平时，控制电流被减少到1,5A。在关闭功率半导体器件之后，在关闭时段的其它时间内，控制电压维持在-15V。

相应地，稳定的电流在这里意味着具有一个可以通过多位字来控制的恒定电流，即数字式控制的。因此，一个稳定电流的放大器是一个装备有按照恒定电流方式工作的电流源的放大器。

通常，例如不同的IGBTs的一个任意数量，IC=300A-2400A,V_CE=1200V-6500V，系统电压从400 DC至4200 DC，可以通过上述的根据本发明的同一类型的装置来控制。

本发明当然绝不局限于上述的最佳实施例，对于熟悉本技术的人，显然可以做许多修改而不会偏离本发明的基本思想。

例如，根本不需要有一个单独的比较器模块26，它可以被集成在可编程电路16中。

在13处与控制装置的通讯也不需要通过光来进行。

转换器12可以是一个在某些情况下可被省略的未绝缘的系统。