專利名稱：控制導(dǎo)通帶絕緣柵電極的雙極晶體管的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及控制導(dǎo)通具有絕緣柵電極的雙極晶體管(IGBT)的方法，此外，本發(fā)明還涉及實(shí)施該方法的裝置。
這樣一種方法及相應(yīng)的裝置，例如在文獻(xiàn)“柵極驅(qū)動(dòng)NPT-IGBT短路特性的優(yōu)化”，EPE‘95，Sevilla，第2.213-2.218頁(作者H.-G.Eckel和L.Sack)及文獻(xiàn)“具有新柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的大功率IGBT變換器”，EPE‘95，第1.006-1.070頁(作者S.Gediga，R.Marquardt，，R.Sommer)中已有敘述。
這樣一種裝置構(gòu)成所謂柵極驅(qū)動(dòng)器的一部分。該裝置用于控制IGBT，就是說它提供所需要的導(dǎo)通和關(guān)斷脈沖。柵極驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)重要的任務(wù)是在各種運(yùn)行狀態(tài)下保護(hù)IGBT不受過高電壓或過大電流的損害。其中尤其包括對電流和電壓上升斜率的限制。對電流上升速度的限制也應(yīng)用于保護(hù)參與開關(guān)過程的二極管。已知的一些柵極驅(qū)動(dòng)器，例如在上述文獻(xiàn)“柵極驅(qū)動(dòng)NPT-IGBT短路特性的優(yōu)化”中所提到的，主要包括一個(gè)電壓源，該電壓源可以提供兩種電壓，一種用于導(dǎo)通狀態(tài)(典型值15V)、一種用于關(guān)斷狀態(tài)(典型值-15V)。此種雙電壓源經(jīng)過限制流入柵極電流的電阻與IGBT-柵極相連接。為導(dǎo)通IGBT，電源由負(fù)電壓直接轉(zhuǎn)接到正電壓?？梢员豢闯墒请娙萜鞯臇艠O被充電。柵極電壓上升越高，柵極電流就越小，隨之柵極電壓上升就越緩慢。為了限制陽極-陰極電流的上升速度，曾試圖對此上升速度在負(fù)載一側(cè)進(jìn)行檢測，一般是通過測量總是存在的寄生電感上的電壓降。以適當(dāng)?shù)姆答?，常常通過開啟一個(gè)并聯(lián)電路讓電流從柵極旁流過，以使充電過程延緩。這種解決方案的缺點(diǎn)是在負(fù)載一側(cè)需要一個(gè)附加的傳感器。此外，由此得到的信號(hào)很小從而易受干擾。IGBT氧化物電容的充電在導(dǎo)通時(shí)往往進(jìn)行得很慢，因?yàn)榇颂帠艠O電阻上驅(qū)動(dòng)電流的電壓差很小。與此相關(guān)聯(lián)的負(fù)載一側(cè)電壓下降的速率很難控制而且往往很慢。
在第二篇文獻(xiàn)“具有新柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的大功率IGBT換變器”中曾嘗試將此附加的傳感器通過在導(dǎo)通時(shí)預(yù)先確定的一個(gè)電壓時(shí)間函數(shù)加以取代。但是，電壓源依然要經(jīng)一個(gè)較大的電阻與IGBT柵極連接。因此，在柵極上的實(shí)際電壓顯著落后于此電壓時(shí)間函數(shù)。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種方法和實(shí)現(xiàn)此方法的裝置，此裝置具有盡可能簡單的結(jié)構(gòu)，并且在所有運(yùn)行狀態(tài)下導(dǎo)通時(shí)使IGBT能保持在SOA(Safe Operation Area，即安全工作區(qū))，而且在負(fù)載一側(cè)不需要限制或監(jiān)控裝置。此外，此方法在導(dǎo)通時(shí)應(yīng)該允許對電流的上升速率(dI/dt)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且在負(fù)載一側(cè)不需要檢測電流值。
此項(xiàng)任務(wù)是通過以下的技術(shù)方案予以解決的。
一種控制導(dǎo)通具有絕緣柵電極的雙極晶體管(IGBT)的方法，其特征在于，用控制電流給柵電極加載，此電流是依據(jù)在柵電極所加電壓的實(shí)際值與預(yù)先確定的額定值相比較所得結(jié)果形成的。
所以，本發(fā)明的核心是與先有技術(shù)相反，本發(fā)明不是將柵電壓而是將柵電流作為控制量。此電流依據(jù)加在柵極上電壓的實(shí)際值與相應(yīng)的額定值比較的結(jié)果對柵極進(jìn)行加載。在導(dǎo)通過程中，負(fù)載電流沿預(yù)先確定的軌跡進(jìn)行調(diào)節(jié)。盡管如此，在負(fù)載一側(cè)不需要檢測電流值。取而代之的是利用這樣的事實(shí)，，即在IGBT中MOSFET接通期間其特性占主導(dǎo)地位?？梢宰C明(見下述)，一旦柵極電壓大于閾值電壓，則在柵極電壓與負(fù)載電流之間就存在著平方函數(shù)關(guān)系。這種關(guān)系直到滿負(fù)載電流時(shí)一直有效。柵極電壓沿某一確定的軌跡由關(guān)斷態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通態(tài)的控制可使負(fù)載電流與此電壓呈平方比例上升。反之，可容易地由柵極電壓曲線計(jì)算出所需負(fù)載電流曲線。
IGBT的柵極是一個(gè)電容，現(xiàn)在必須對其上的電壓加以控制?？刂屏恐荒苁橇魅霒艠O的電流。一種簡單的比例調(diào)節(jié)器可滿足控制的需要。于是柵極電流與所要求的柵極電壓和實(shí)際柵極電壓之差成正比。在電路技術(shù)的實(shí)施中，一個(gè)函數(shù)發(fā)生器經(jīng)一個(gè)比較器和一個(gè)比例調(diào)節(jié)器與一個(gè)壓控電源連接。對此函數(shù)發(fā)生器沿著一條選定的曲線加以控制。這樣控制的電流源為IGBT的柵極提供所需的控制電流。
本發(fā)明除全面控制導(dǎo)通過程中電流的上升外，也還為其它運(yùn)行狀態(tài)帶來益處。柵極充電達(dá)到閾值電壓的過程非常迅速，因?yàn)樗鼘ω?fù)載一側(cè)沒有影響。當(dāng)IGBT得到滿負(fù)載電流之后，通過對柵極電流的限制，也可以限制IGBT上負(fù)載一側(cè)電壓變化的速率(導(dǎo)通-du/dt)，因?yàn)椴捎幂^小的柵極電流可使氧化物電容充電較慢。最后，用預(yù)先給定的、適宜的柵極電壓的額定曲線，也可以在IGBT關(guān)斷時(shí)對電壓上升施加影響。
在本申請中，還給出本發(fā)明的其它實(shí)施例。
下面借助包含在各附圖中的實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
這些附圖是

圖1，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置的等效電路圖；圖2，一個(gè)IGBT-模型的等效電路；圖3～5，幾種電壓時(shí)間函數(shù)。
在符號(hào)表中綜合給出了附圖中所用符號(hào)及其含義。原則上，在附圖中相同的部分用相同的符號(hào)表示。
符號(hào)表1IGBT2電壓控制電流源3函數(shù)發(fā)生器4差分放大器5續(xù)流二極管6柵電極7陰極電極8陽極電極本發(fā)明建立在對IGBT-模型深入分析的基礎(chǔ)上。一個(gè)IGBT-模型例如在文獻(xiàn)“在Saber電路模擬器中實(shí)現(xiàn)的、實(shí)驗(yàn)證實(shí)的IGBT-模型”，電氣與電子工程師學(xué)會(huì)大功率電子學(xué)會(huì)刊(IEEE Trans.on PowerElectronics)，第9卷，1994年9月(作者A.R.Hefner和D.M.Diebolt)中已有敘述。此外，下面使用的所有公式都可在此文獻(xiàn)中找到。
在圖2中設(shè)法把模型公式用電網(wǎng)絡(luò)可視化。圖中元件和電流的符號(hào)基本上與上面文獻(xiàn)所述一致。特別是輸入的電流是高度非線性的。該模型具有6個(gè)電節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)必須滿足基爾霍夫公式。負(fù)載電流包含從雙極發(fā)射極直接流到陰極的多個(gè)分電流并且包括雙極發(fā)射極流經(jīng)MOS-漏極(＝雙極基極)到陰極的那些電流。第一類電流的總和也稱為雙極電流，后一類稱為MOS電流。
首先考察MOS電流。根據(jù)圖2它包括兩部分即所謂的發(fā)射極-基極-DC-電流ibp和由基極電荷變化引起的位移電流iceb。它們的和用ib表示。根據(jù)節(jié)點(diǎn)規(guī)則，電流ib必須等于由漏極D到陰極7的電流。此電流也可包括三部分即真正的在MOS溝道中的電流imos、反映在高電場中通過突然電離產(chǎn)生載流子倍增的電流imult和在漏極-源極-電容中的位移電流d(Qcdsj)/dt。電流imos顯示是決定性的。因此電流ib實(shí)際等于imos。
其次考察雙極電流它是發(fā)射極-集電極-DC-電流icp和再分布電流iccer之和。電流iccer在導(dǎo)通時(shí)可以忽略。電流icp必須進(jìn)一步單獨(dú)加以分析。icp=(11+b)irb(b1+b)4DPW2Qoeb---(1)]]>其中b雙極遷移率比Dp空穴擴(kuò)散常數(shù)W＝W(t)中性基區(qū)寬度Qceb＝Qceb(t)發(fā)射極-基極電荷根據(jù)式(1)，icp包括反映空穴電流和電子電流之間耦合的分量(左側(cè)相加數(shù))和決定電荷的分量(右側(cè)相加數(shù))。右側(cè)相加數(shù)分量約占總負(fù)載電流的10％。
由這些分析得到，對于調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在導(dǎo)通時(shí)負(fù)載電流確定為MOS溝道中的電流imos和雙極電流的由空穴輸運(yùn)和電子輸運(yùn)耦合決定的分量(式(1)中左側(cè)相加數(shù))之和。所有其它影響都可看成干擾量。
下面研究MOS電流和已考慮的雙極電流icp*之間的關(guān)系。當(dāng)忽略右側(cè)相加數(shù)時(shí)，由式(1)得式(2)。icp*=(11+b)irb---(2)]]>MOS電流imos和雙極電流icp*在發(fā)射極節(jié)點(diǎn)E(見圖2)相加得到irb(式(3))。
irb＝icp*+imos(3)解式(2)求irb并且代入式(2)并隨后求解imos得式(4)。imos=1b·icp---(4)]]>依據(jù)式(5)總電流與MOS電流相關(guān)，按此公式兩電流彼此呈線性關(guān)系。irb=1bimox+imos=(1+bb)imos---(5)]]>IGBT由柵極控制。因此下面將尋找柵極量與負(fù)載電流之間可用于控制的關(guān)系式。在負(fù)載電流的上升邊緣期間IGBT的“內(nèi)部”MOSFET處在飽和狀態(tài)。柵極電壓與MOS溝道電流之間存在公式(6)示出的眾所周知的平方關(guān)系?？梢钥吹?，在此狀態(tài)下柵極電壓已經(jīng)大于閾值電壓。imos=KP(vgs-vt)212---(6)]]>其中 Kp飽和區(qū)中的MOS跨導(dǎo)VtMOSFET閾值電壓Vgs柵極電壓將式(6)代入式(5)得到負(fù)載電流與柵極電壓之間簡單的、適用于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的平方關(guān)系式(7)irb=(1+bb)KP(vgs-vt)212---(7)]]>由此獲得用于控制的結(jié)論是通過控制柵極電壓可以調(diào)節(jié)上升期間的負(fù)載電流。在負(fù)載回路內(nèi)串聯(lián)雜散電感上的跨導(dǎo)的測量可以省略。此時(shí)控制技術(shù)方面的問題必須以另一種方式提出流入IGBT柵極的電流用作控制量，而實(shí)際上控制IGBT的柵極電壓才是被控制量。應(yīng)當(dāng)指出，需要解決的控制任務(wù)涉及的是所謂軌跡問題，不同于在工作點(diǎn)的控制。因此，現(xiàn)在必須找到一條適當(dāng)?shù)能壽E，使調(diào)節(jié)器按這條軌跡進(jìn)行控制。這一點(diǎn)當(dāng)然也為電路的設(shè)計(jì)展示了附加的自由度。
所以用柵極電流作為控制量就必須對柵極電壓進(jìn)行控制。該控制系統(tǒng)是一個(gè)積分器，此積分器由MOSFET的柵極-源極-電容和由氧化物電容構(gòu)成。然而，氧化物電容只是在導(dǎo)通過程結(jié)束前才有影響。比例調(diào)節(jié)器可作為調(diào)節(jié)器使用。所得到的閉環(huán)系統(tǒng)是個(gè)一階閉環(huán)系統(tǒng)，因此也不可能出現(xiàn)振蕩。比例調(diào)節(jié)器的增益受到可提供的最大柵極電流的限制。
圖1示出這種調(diào)節(jié)裝置的實(shí)施例。其中，IGBT用1表示，續(xù)流二極管(Freilaufdiode)5與其逆并聯(lián)。這兩個(gè)元件可以是大功率電子學(xué)電路，例如橋式電路連接的多相變換器中的部件。此電路的負(fù)載，例如可以是一個(gè)強(qiáng)感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
IGBT1的控制電極或柵電極6由電壓控制的電流源2饋電。該電源安置在IGBT1的柵電極6與陰極7之間?？刂齐妷河刹罘址糯笃?的輸出電壓所構(gòu)成。差分放大器4構(gòu)成一個(gè)比較器和一個(gè)比例調(diào)節(jié)器。在IGBT1的柵電極6處測量柵極電壓并與由函數(shù)發(fā)生器3預(yù)先給定的電壓軌跡進(jìn)行比較。這種額定值-實(shí)際值比較的結(jié)果將在比例調(diào)節(jié)器中放大并用于控制電流源2。
下面介紹幾個(gè)適用的軌跡方案其中應(yīng)達(dá)到約0.8kA/μs的電流上升速率。由-15V(IGBT截止)到例如7V的閾值電壓的電壓上升速率可以任意選擇，因?yàn)樗鼘ω?fù)載一側(cè)沒有影響。這里起限制作用的充其量是由電流源可提供的最大柵電流。所以，在此范圍內(nèi)電壓上升速率可以在例如3μs內(nèi)由-15V線性地上升至7V。按類型和應(yīng)用柵極電壓由閾值電壓進(jìn)一步上升到使IGBT獲得滿電流的10至11V的電壓的方式方法，決定了負(fù)載側(cè)電流的性能。最簡單的情況是讓柵極電壓線性上升。于是負(fù)載電流按平方律上升。為了達(dá)到約0.8kA/μs的上升速度，一個(gè)2.5kVIGBT的柵極電壓必須在3μs內(nèi)由6.5V上升至10.5V。進(jìn)一步上升至在15V導(dǎo)通狀態(tài)下的穩(wěn)定電壓主要影響IGBT的電壓下降速度。這里也可以應(yīng)用一條直線，此直線選擇的越陡，則允許IGBT上的電壓下降的速率就越陡。它的典型值等于中間段的陡度或者比其稍緩，因?yàn)?，特別是柵極電壓在由最后段到此段過渡時(shí)是隨負(fù)載電流變化的。
所以，按上述示例電壓軌跡由三段直線(圖3)組成。第一段直線由-15V上升至閾值電壓。第二段在閾值電壓處開始并上升至IGBT完全導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。緊接著，第三段直線再上升至15V。另一個(gè)方案是按
形式把前兩段組合在一起的上升曲線，該段曲線使柵極迅速上升至閾值電壓。此外，它使負(fù)載電流在較低電壓范圍內(nèi)比在較高電壓范圍內(nèi)上升得要快些。因此，在保護(hù)二極管的同時(shí)有可能把損耗功率降至最小。然后為簡單起見，第三段將同樣具有
形式(圖4)。另一種方案也可以把中間段想象成方根函數(shù)形式的曲線(圖5)。該方案特別是以與電流曲線下的面積成比例的損耗功率降至最小為特征。
產(chǎn)生上述電壓軌跡的函數(shù)發(fā)生器可以是數(shù)字式、也可以是模擬式結(jié)構(gòu)。在模擬式結(jié)構(gòu)中，特別是可以提供
形式的曲線，因?yàn)檫@種曲線可以以簡單的方法借助電容器的充電加以實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字式結(jié)構(gòu)中也可實(shí)現(xiàn)方根式曲線，例如以查尋表形式存儲(chǔ)的函數(shù)表。
總之，本發(fā)明提出了控制導(dǎo)通IGBT的一種方法和相應(yīng)的裝置，這種裝置不需要負(fù)載一側(cè)的電流或電壓測量，而以簡單的電路技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)對電流上升的限制。
權(quán)利要求
1.一種控制導(dǎo)通具有絕緣柵電極的雙極晶體管(IGBT)的方法，其特征在于，用控制電流給柵電極加載，此電流是依據(jù)在柵電極所加電壓的實(shí)際值與預(yù)先確定的額定值相比較所得結(jié)果形成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，把預(yù)先確定的電壓上升函數(shù)作為額定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于，電壓上升函數(shù)基本上包括三部分，其中，電壓在第一部分上升至IGBT的閾值電壓，在第二部分由閾值電壓上升至IGBT得到滿負(fù)載電流的柵極電壓值，以及在第三部分由此電壓值上升至柵極電壓的最大值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，這三部分曲線呈傾斜式上升，尤其是其中第一部分的斜率大于其它兩部分的斜率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，前兩部分以
函數(shù)曲線形的總上升來實(shí)現(xiàn)，并且第三部分同樣具有
函數(shù)曲線形狀，尤其是其中第一部分的斜率大于第二部分的斜率。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其特征在于，第一和第三部分呈直線形上升，而中間的第二部分具有平方根函數(shù)的形狀。
7.實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于，設(shè)置一個(gè)壓控電流源(2)，安裝在IGBT的柵電極(6)和陰極(7)之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述裝置，其特征在于，—設(shè)置一個(gè)函數(shù)發(fā)生器(3)，其輸出端與比較器第一輸入端連接，其中，比較器的第二輸入端的電壓為加在柵電極(6)上的電壓，和—比較器的輸出端經(jīng)比例調(diào)節(jié)器與壓控電流源(2)的控制輸入端相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述裝置，其特征在于，比較器和比例調(diào)節(jié)器集成在一個(gè)差分放大器(4)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9所述裝置，其特征在于，函數(shù)發(fā)生器(3)產(chǎn)生一電壓上升函數(shù)，它基本上包括兩部分，其中，第一部分的電壓上升至IGBT的閾值電壓，而第二部分的電壓由閾值電壓上升至柵極電壓的最大值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述裝置，其特征在于，這三部分曲線呈傾斜式上升，特別是其中第一部分的斜率大于其它兩部分的斜率。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述裝置，其特征在于，前兩部分以
函數(shù)曲線的相同的斜率來實(shí)現(xiàn)，并且第三部分同樣具有
函數(shù)曲線形狀，特別是其中第一部分的斜率大于第二部分的斜率。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述裝置，其特征在于，第一和第三部分呈直線形上升，而中間的第二部分具有平方根函數(shù)的形狀。
全文摘要
控制IGBT導(dǎo)通的方法和裝置。與先有技術(shù)不同，本發(fā)明不將柵極電壓而是將柵極電流作為控制量。此電流依據(jù)加在柵極上的電壓實(shí)際值與相應(yīng)的額定值比較的結(jié)果對柵極進(jìn)行加載。在導(dǎo)通過程中負(fù)載電流沿預(yù)先確定的軌跡進(jìn)行調(diào)節(jié)。在負(fù)載一側(cè)不需要對電流進(jìn)行檢測。代之的是利用這一事實(shí)；在IGBT中MOSFET導(dǎo)通期間其特性占主導(dǎo)地位。
文檔編號(hào)H03K17/567GK1164145SQ9710334
公開日1997年11月5日 申請日期1997年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月20日
發(fā)明者P·約爾格 申請人:Abb研究有限公司