專利名稱：絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路。
具有MOS型柵極構(gòu)造的絕緣柵型半導(dǎo)體元件，例如MOS-FET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor絕緣柵雙極晶體管)、IEGT(InjectionEnhanced Gate Transistor注入增強(qiáng)柵晶體管)，是電壓驅(qū)動型，在通斷切換時，瞬間流過柵極電容的充、放電電流，而在穩(wěn)態(tài)時不流過柵極電流。因此，可使柵極功率非常小且可具有MOS構(gòu)造特有的高速動作，所以近年來對這種電壓驅(qū)動型半導(dǎo)體元件進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)了高電壓大電流(例如4.5KV-1000A級)的絕緣柵型半導(dǎo)元件，開始用于電力變換裝置。
絕緣柵型半導(dǎo)體元件，隨著高電壓、大電流化，集電極與發(fā)射極間、集電極與柵極間、柵極與發(fā)射極間各自的電容容量變大。


圖1簡單表示以往驅(qū)動絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路。絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的控制極(柵極)G，經(jīng)柵極電阻11，由半導(dǎo)體開關(guān)12、13提供通斷控制信號。圖2是用絕緣柵型半導(dǎo)體元件構(gòu)件逆變器電路時1相(例如U相)部分的電路。圖3表示由示于圖1的柵極驅(qū)動電路使PWM逆變器動作時的柵極電壓波形、絕緣柵型半導(dǎo)體元件的電壓(Vce)和電流IC。在導(dǎo)通、截止時，因柵極、發(fā)射極間的電容特性而呈現(xiàn)密勒電壓時間。尤其，在導(dǎo)通時，有越是高耐壓元件，其密勒電壓時間越變長的趨勢。其原因在于尤其柵極、發(fā)射極間的電容容量取決于集電極、發(fā)射極間電壓，因而若導(dǎo)通引起集電極、發(fā)射極電壓降低，則柵極、發(fā)射極電容增大。
所謂密勒電容意指絕緣柵型半導(dǎo)體元件10可從截止?fàn)顟B(tài)至導(dǎo)通狀態(tài)的柵極電壓(所謂門限電壓)。因而，所謂密勒電壓時間意指產(chǎn)生密勒電壓的短暫時間。
為了使PWM逆變器中負(fù)荷電流更接近于正弦波，希望其切換頻率高，但因上述密勒時間產(chǎn)生最小導(dǎo)通時間和空載時間的制約，限制了上限頻率。為了縮短密勒時間雖可減小柵極電阻，但由于絕緣柵型半導(dǎo)體元件的開關(guān)特性也變得迅速，存在因?qū)〞r急劇的電流升高(di/dt)及截止時急劇的電壓上升(dv/dt)而損壞元件的情況。
如圖3所示，在導(dǎo)通、截止時，圖2的上下臂(U、V)的柵極信號設(shè)置空載時間T0，防止上下短路。但是，若相對臂的絕緣柵型半導(dǎo)體元件導(dǎo)通，則由于各端子間電容容量分擔(dān)，已確認(rèn)會出現(xiàn)因電流突變(di/dt)及電壓突變(dv/dt)而使柵極、發(fā)射極電壓向正方向隆起的現(xiàn)象(圖3的A部分)。為防止這種現(xiàn)象，雖然在柵極、發(fā)射級間設(shè)置電容器是有效的，但一旦設(shè)置電容器，因絕緣柵型半導(dǎo)體元件的開關(guān)時間延遲，會產(chǎn)生使開關(guān)損失增大的問題。
希望縮短高電壓、大電流的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的密勒時間從而縮短PWM逆變器的空載時間，并且不在柵極、發(fā)射極間設(shè)置電容器而解決臂對的絕緣柵型半導(dǎo)體元件導(dǎo)通時因dv/dt而產(chǎn)生的柵極、發(fā)射極電壓向正方向隆起的現(xiàn)象。
本發(fā)明鑒于上述問題而提出，其目的在于提供一種可有效利用絕緣柵型半導(dǎo)體元件的高頻動作、穩(wěn)定驅(qū)動逆變器等電力變換裝置的可靠性高的柵極驅(qū)動方式。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明其構(gòu)成是設(shè)置多個P溝道半導(dǎo)體元件和N溝道半導(dǎo)體元件串聯(lián)(推挽輸出連接)的半導(dǎo)體元件群，各半導(dǎo)體元件群的陰極端子連接正負(fù)控制電源，第1半導(dǎo)體元件群的連接點經(jīng)電阻連接絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極，第2半導(dǎo)體元件群的連接中點不經(jīng)柵極電阻直接連接絕緣柵型半導(dǎo)體元件柵極，第2半導(dǎo)體元件群的各控制極信號經(jīng)延遲電路提供，該延遲電路把開關(guān)信號源的通斷控制信號延遲預(yù)定時間。
再者，本發(fā)明其構(gòu)成使，第1半導(dǎo)體元件群的連接點電位為正時，在預(yù)定延遲時間后，向第2半導(dǎo)體元件群的正側(cè)半導(dǎo)體元件的控制極提供控制信號；在該連接點電位為負(fù)時，在預(yù)定延遲時間后，向負(fù)側(cè)半導(dǎo)體元件的控制極提供控制信號。
通過下文參照附圖所作的詳細(xì)敘述后，將會更好地理解本發(fā)明及其具有的許多優(yōu)點。
圖1是以往絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路構(gòu)成圖。
圖2是通常逆變器電路1相部分的電路構(gòu)成圖。
圖3是用示于圖1的柵極電路驅(qū)動示于圖2的逆變器電路時的動作定時圖。
圖4是本發(fā)明第1實施例的構(gòu)成圖。
圖5是示于圖4的第1實施例的動作定時圖。
圖6是本發(fā)明第2實施例的構(gòu)成圖。
圖7是本發(fā)明第3實施例的構(gòu)成圖。
圖8是本發(fā)明第6實施例的構(gòu)成圖。
圖9是本發(fā)明第7實施例的構(gòu)成圖。
圖10是本發(fā)明第8實施例的構(gòu)成圖。
圖11是本發(fā)明第9實施例的構(gòu)成圖。
圖12是本發(fā)明第10實施例的構(gòu)成圖。
現(xiàn)在參照附圖(其中相同標(biāo)號表示幾幅圖中相同或相應(yīng)部分)，尤其參照圖4，敘述本發(fā)明的一個實施例。
如圖4所示，本實施例的構(gòu)成包括絕緣柵型半導(dǎo)體元件10、柵極電阻11、由串聯(lián)連接NPN型和PNP型半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件12，13組成的第1半導(dǎo)體元件群A、連接第1串聯(lián)半導(dǎo)體元件群各柵極的電阻14、與第1串聯(lián)半導(dǎo)體元件群同樣構(gòu)成且由串聯(lián)連接NPN型和PNP型半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體元件15和16組成的第2半導(dǎo)體元件群B、把開關(guān)控制源17的信號延遲預(yù)定時間的延遲電路18，19及正負(fù)控制電源P，N。
可采用絕緣柵型半導(dǎo)體元件的MOS-FET、IGBT、IEGT等作為半導(dǎo)體元件12、13、15、16。
下面，采用圖5，對本實施例的作用加以說明。
圖5表示示于圖4的本實施例的動作定時圖。
如圖5所示，一旦時刻to從開關(guān)控制源17，向半導(dǎo)體元件12提供導(dǎo)通信號，則經(jīng)柵極電阻11，使絕緣柵型半導(dǎo)體元件10在時刻t1導(dǎo)通，集電極、發(fā)射極間電壓(Vce)降低，其間流過電流(IC)，但絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極電壓(Vge)如圖5虛線所示，密勒電壓電平繼續(xù)存在至柵極、發(fā)射極間電容充電結(jié)束。該時間(t6-t1)還取決于柵極電阻11的阻值，為20～30μs。一旦在延遲電路18設(shè)定的(例如10μs(＝t2-t1))時間后的時刻t2，使第2半導(dǎo)體元件群B的開關(guān)元件15導(dǎo)通，則立即向柵極、發(fā)射極間電容充電，Vge上升至正控制電源P電平，絕緣柵型半導(dǎo)體元件10成為穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。
若在時刻t3，從開關(guān)控制源17向開關(guān)半導(dǎo)體元件12、15提供截止信號，向開關(guān)半導(dǎo)體元件13提供導(dǎo)通信號，則向絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極、發(fā)射極間充電的電荷經(jīng)柵極電阻11開始放電，降低到密勒電壓并在時刻t4放完電后，集電極、發(fā)射極間電壓(Vce)上升，電流阻斷，截止完成。
若在延遲電路19設(shè)定的時間后的時刻t5(大于絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的截止時間)，使第2半導(dǎo)體元件群B的開關(guān)元件16導(dǎo)通，則柵極、發(fā)射極間電壓為負(fù)的控制電源N的電平，在無阻抗的情況下，固定于負(fù)的控制電源，成為穩(wěn)定狀態(tài)。
由于在無阻抗情況下固定于負(fù)的控制電壓，即使在示于圖11的電路臂對導(dǎo)通時，因dv/dt要使柵極、發(fā)射極電壓Vge上升，但dv/dt產(chǎn)生的偏移電流流入負(fù)控制電源，因而該電壓不含上升而是穩(wěn)定的。(第2實施例)接著，參照圖6說明本發(fā)明的第2實施例。
如圖6所示，本實施例由電阻20、電容器21和二極管22構(gòu)成，將開關(guān)信號源17的信號延遲預(yù)定時間，使第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件15導(dǎo)通。用電阻20充電電容器21的時間常數(shù)，可調(diào)整延遲時間，用二極管22進(jìn)行復(fù)原，使電容器21放電無延遲。(第3實施例)接著，參照圖7說明本發(fā)明的第3實施例。又，圖7中，與示于圖4相同的標(biāo)號，表示相同部件，故省略說明。
如圖7所示，相對于圖4，在第1半導(dǎo)體元件群A的半導(dǎo)體元件12、13的陽極端子上分別增加電阻23、24，在第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件15的陽極端子上增加電阻25。這時，電阻23、24、25連接比柵極電阻11阻值小的電阻。
在本實施例中，電阻23、24、25是由至少一個阻值不同的電阻構(gòu)成的。雖然第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件16的陽極端子上不設(shè)置電阻，但也可連接電阻。
下文，對本實施例的作用加以說明。
如圖7所示，導(dǎo)通時能流過由柵極電阻11電阻23之和確定的正柵極電流，截止時能流過由柵極電阻11與電阻24之和確定的負(fù)柵極電流。通過改變電阻23、24的值，可改變導(dǎo)通和截止時柵極電流，從而可調(diào)整絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的開關(guān)特性。使半導(dǎo)體元件15陽極端子的電阻25比柵極電阻11小，可不經(jīng)柵極電阻11，而以絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極、發(fā)射極間電容器Cge與電阻25的時間常數(shù)充電Cge，可使柵極電壓Vge更早上升至正的控制電源電壓。(第4實施例)接著，對本發(fā)明的第4實施例加以說明，但不圖示。本實施例其電路與示于圖7的電路相同，與第2半導(dǎo)體元件群B的負(fù)側(cè)控制電源連接的電阻為零歐姆，或串聯(lián)比連接正側(cè)控制電源的電阻25小得多的電阻。
因此，本實施例的動作和作用是，在絕緣柵型半導(dǎo)體元件10截止完成時刻，使半導(dǎo)體元件16導(dǎo)通，從而在低阻抗?fàn)顟B(tài)下連接負(fù)控制電源，可使截止期間柵極負(fù)偏壓穩(wěn)定。(第5實施例)接著，說明本發(fā)明的第5實施例，但不圖示。
本實施例與圖7所示電路相同，其與第3實施例的不同之處在于，與第1半導(dǎo)體元件群A的半導(dǎo)體元件12、13陽極端子連接的電阻23、24，各自比柵極電阻11的阻值大。又，本實施例電路的動作與作用與第3實施例相同，故省略其說明。(第6實施例)下文，參照圖8，對本發(fā)明第6實施例加以說明。
本實施例中，電路與示于圖7的電路相同，與第3實施例不同之處在于，設(shè)置與第1半導(dǎo)體元件群A的半導(dǎo)體元件12、13負(fù)側(cè)元件13的陽極端子連接的電阻24并聯(lián)的電容器26。
接著，對電容器26的作用加以說明。
一旦接受開關(guān)信號源17的信號，第1半導(dǎo)體元件群A的半導(dǎo)體元件12、13的負(fù)側(cè)元件13導(dǎo)通，充電至正控制電源電壓的絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極、發(fā)射極間的電容Cge，以柵極端子G、柵極電阻11、開關(guān)元件13、電容器26、負(fù)控制電源N及零電位O的環(huán)路開始放電。電容器26充電至柵極電阻11與電阻24的分壓比確定的電壓。該充電電荷又經(jīng)電阻24以相同環(huán)路放電。
結(jié)果，與示于圖7的第3實施例的動作比較，在柵極電阻11與電容器26的時間常數(shù)期間，其電流比只經(jīng)電阻24流過的電流大，從而電容Cge的電荷可早放電。因此，可縮短絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的截止時的密勒時間。(第7實施例)下文，參照圖9說明本發(fā)明的第7實施例。圖9中，與圖7和圖8相同的標(biāo)號，表示相同部件，省略其說明。
如圖9所示，本實施例設(shè)置檢測電路30，檢測絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極、發(fā)射極間的電壓Vge，由發(fā)光元件(例如，光電耦合器等)實際檢測、判斷絕緣柵型半導(dǎo)體元件通、斷狀態(tài)。根據(jù)該信號，控制第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件15、16的通斷。即，假定Vge達(dá)到正方向的規(guī)定值(例如密勒電壓)，使半導(dǎo)體元件15導(dǎo)通，若達(dá)到負(fù)方向規(guī)定值，使半導(dǎo)體元件16導(dǎo)通。設(shè)置與開關(guān)信號源17信號的邏輯積31、32，確保動作可靠性。(第8實施例)接著，參照圖10說明本發(fā)明的第8實施例。圖10中，與圖7及圖8相同的標(biāo)號，表示同一部件，省略其說明。
在示于圖10的實施例中，與圖7及圖8所示實施例不同之處在于，檢測第1半導(dǎo)體元件群A的半導(dǎo)體元件12、13的連接點40的電壓，在預(yù)定時間延遲后，分別控制第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件15、16。(第9實施例)下文，參照圖11說明本發(fā)明的第9實施例。在圖11中，與圖8和圖9相同的標(biāo)號表示同一部件，省略其說明。
在示于圖11的本實施例中，設(shè)置電流檢測變流器33，判定流過絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極電阻11的電流方向及大小，控制第2半導(dǎo)體元件群B的通斷。即，柵極電阻11中流過的電流為正時，使半導(dǎo)體元件15導(dǎo)通，為負(fù)時，使半導(dǎo)體元件16導(dǎo)通。這時，通過與開關(guān)信號源17的信號的邏輯積及延遲電路，控制第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件15、16通斷。(第10實施例)下文，參照圖12說明本發(fā)明第10實施例。在圖12中，與圖4至圖8相同的標(biāo)號表示同一部件，省略其說明。
在示于圖12的本實施例中，作為向絕緣柵型半導(dǎo)體元件10的柵極提供的控制電源，分成第1半導(dǎo)體元件群A的半導(dǎo)體元件12、13用的第1正負(fù)控制電源P、N及第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件15、16用的第2正負(fù)控制電源P1、N1。如本實施例那樣，在使用MOSFET作為第2半導(dǎo)體元件群B的半導(dǎo)體元件時，因驅(qū)動功率變小，其驅(qū)動電路可小型化，對于整體上使電路變得簡單是有效的。
通過上述構(gòu)成，可適應(yīng)各種類型的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極條件。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可縮短高電壓、大電流絕緣柵型半導(dǎo)體元件特有的導(dǎo)通、截止特性，即柵極密勒電壓時間，可縮短PWM逆變器的空載時間。柵極、發(fā)射極間不設(shè)置電容器，即可防止臂對絕緣柵型半導(dǎo)體元件通斷時，因dv/dt產(chǎn)生的柵極、發(fā)射極電壓向正方向隆起的現(xiàn)象。由此，可提供充分利用絕緣柵型半導(dǎo)體元件特性的、可高頻開關(guān)的柵極電路。
又，可提供能防止PWM逆變器等電力變換裝置的臂對動作時，dv/dt產(chǎn)生的柵極誤動作、可靠性高的柵極電路。
顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，本發(fā)明可作出各種修改和變換。因而應(yīng)理解，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明除上述具體說明的方案外仍可實施。
權(quán)利要求
1.一種向絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極提供正負(fù)電壓以控制其通斷的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，它包括正負(fù)控制電源；在所述正負(fù)控制電源間串聯(lián)多個半導(dǎo)體元件的第1及第2半導(dǎo)體元件群；向所述第1及第2半導(dǎo)體元件群的半導(dǎo)體元件提供通斷控制信號的開關(guān)信號源；把由所述開關(guān)信號源向第1或第2半導(dǎo)體元件群中任一個的半導(dǎo)體元件提供的通斷控制信號延遲預(yù)定時間的延遲電路；其特征在于，所述第1半導(dǎo)體元件群的中點連接所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極；所述第1半導(dǎo)體元件群的各陽極端子連接所述正負(fù)控制電源；所述第2半導(dǎo)體元件群的連接點連接所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極端子。
2.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，所述第1半導(dǎo)體元件群的中點與所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極間設(shè)置電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，所述第1及第2半導(dǎo)體元件群使用NPN型晶體管與PNP型晶體管串聯(lián)或N溝道FET與P溝道FET串聯(lián)中的至少一種方式構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，所述延遲電路由電容器與電阻構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，構(gòu)成所述第1及第2半導(dǎo)體元件群的半導(dǎo)體元件中的至少一個的陽極端子，分別經(jīng)電阻連接所述正負(fù)控制電源。
6.如權(quán)利要求5所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，所述第1及第2半導(dǎo)體元件群上分別串聯(lián)比絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電阻值小的電阻。
7.如權(quán)利要求5所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，連接所述第2半導(dǎo)體元件群的負(fù)控制電源的電阻，串聯(lián)零歐姆或比連接所述正控制電源的電阻阻值小的電阻。
8.如權(quán)利要求5所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，至少一個連接所述第1半導(dǎo)體元件群的陽極端子的電阻，串聯(lián)比所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件柵極電阻阻值大的電阻后，連接所述正負(fù)控制電源；所述第2半導(dǎo)體元件群的陽極端子上各自串聯(lián)比所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電阻阻值小的電阻后，連接所述正負(fù)控制電源。
9.如權(quán)利要求5所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，設(shè)置與連接所述第1半導(dǎo)體元件群的負(fù)側(cè)控制電源的電阻并聯(lián)的電容器。
10.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，在所述正負(fù)控制電源間，向所述第2半導(dǎo)體元件群的預(yù)定半導(dǎo)體元件的控制極提供的通斷控制信號，控制成使在檢測所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極、發(fā)射極間的電壓達(dá)到預(yù)定值后加以提供。
11.如權(quán)利要求10所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，向所述第2半導(dǎo)體元件群的正負(fù)側(cè)的預(yù)定半導(dǎo)體元件的控制極提供的導(dǎo)通控制信號，由所述第1半導(dǎo)體元件群的控制信號封鎖。
12.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，在所述正負(fù)控制電源間，向所述第2半導(dǎo)體元件群的正負(fù)側(cè)的預(yù)定半導(dǎo)體元件的控制極提供的通斷控制信號，在所述第1半導(dǎo)體元件群的連接點電位為正時，在延遲預(yù)定時間后，向所述第2半導(dǎo)體元件群的正側(cè)半導(dǎo)體元件的控制極提供；在所述第1半導(dǎo)體元件群的連接點電位為負(fù)時，經(jīng)預(yù)定時間延遲后，向所述第2半導(dǎo)體元件群的負(fù)側(cè)半導(dǎo)體元件的控制極提供。
13.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，設(shè)置電流檢測器，檢測流過所述絕緣柵型半導(dǎo)體元件柵極電阻的電流；由所述電流檢測器的檢測值為規(guī)定值以下的信號與所述開關(guān)信號源的通斷控制信號的邏輯積，進(jìn)行所述第2半導(dǎo)體元件群的控制。
14.如權(quán)利要求1至13中任一所述的絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路，其特征在于，設(shè)置多個所述正負(fù)控制電源，所述第1半導(dǎo)體元件群的各陽極端子分別連接第1正負(fù)控制電源；所述第2串聯(lián)半導(dǎo)體元件的各陽極端子，分別連接第2正負(fù)控制電源。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種絕緣柵型半導(dǎo)體元件的柵極電路,它包括:正負(fù)控制電源(P,N),在所述正負(fù)控制電源間串聯(lián)多個半導(dǎo)體元件(12、13,15、16)的第1和第2半導(dǎo)體元件群(A,B);向所述第1和第2半導(dǎo)體元件群的半導(dǎo)體元件(12、13,15、16)提供通斷控制信號的開關(guān)信號源(17);把該開關(guān)信號源向第1或第2半導(dǎo)體元件群中任一個的半導(dǎo)體元件(12、13,15、16)提供的通斷控制信號延遲預(yù)定時間的延遲電路(18,19),具有可有效利用絕緣柵型半導(dǎo)體元件高頻動作及可靠性高的優(yōu)點。
文檔編號H03K17/16GK1264955SQ00103620
公開日2000年8月30日 申請日期2000年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月26日
發(fā)明者市川耕作 申請人:東芝株式會社