專利名稱：用于對半導體部件進行控制的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對柵控半導體部件進行控制。
背景技術(shù)：
通常通過將直流(DC)電壓施加至柵極上來控制諸如像M0SFET (金屬氧化物半導 體場效應(yīng)晶體管)和IGBT (絕緣柵極雙極性晶體管)之類的常斷設(shè)備或者像JFET (結(jié)柵場 效應(yīng)晶體管)之類的常導通設(shè)備這樣的柵控半導體部件。當常斷設(shè)備用作開關(guān)時，通過將 部件的柵電極設(shè)置為相對于發(fā)射電極/源電極而言的正電壓而實現(xiàn)接通部件。同樣地，當 斷開部件時，將相對于發(fā)射極/源極而言的負電壓施加至柵極上。對于像JFET之類的常導 通設(shè)備而言，施加正向(P型JFET)或負向(N型JFET)偏置柵極至源極電壓以斷開設(shè)備。有 時在接通狀態(tài)下使用相反極性的柵極電壓以提高溝道的導電性。 利用驅(qū)動電路來執(zhí)行上述開關(guān)。驅(qū)動電路接收來自用于確定應(yīng)何時對開關(guān)進行操 作的控制電路或者類似元件的開關(guān)命令。驅(qū)動電路進一步接收上述正向輔助電壓Vcc和負 向輔助電壓Vee。輔助電壓之間的零電壓點與受控半導體部件的發(fā)射極/源極相連。因此 典型的驅(qū)動電路為響應(yīng)開關(guān)命令而通過改變相對于該部件的發(fā)射極/源極而言的柵極電 勢來驅(qū)動半導體部件。當例如發(fā)出接通IGBT的命令時，驅(qū)動電路將正向輔助電壓Vcc施加 至柵極上，從而使柵極至發(fā)射極電勢為Vcc。同樣地，當斷開該部件時，將電壓Vee切換到柵 極并且使柵極至發(fā)射極電壓為-Vee以使該部件斷開。通常被稱為柵電阻的串聯(lián)電阻連接 在電壓源與柵極之間以將柵電流限制為對驅(qū)動電路安全的值。柵極電阻器的最小值通常是 由部件制造商給定的。該值反映出部件耐得住的而不會損壞的最快開關(guān)速度并且因此給出 了最小開關(guān)損耗。實際上，常見的是需要柵極電阻器的更高值來限制由于高電壓和電流變 化率所引起的RFI發(fā)射。隨后，這就造成了開關(guān)高損耗以及設(shè)備的低效率。
為了實現(xiàn)對開關(guān)現(xiàn)象進行更好且更可靠的控制，柵極電壓通常是不對稱的。與 IGBT相關(guān)的正向和負向輔助電壓的典型值分別是+15伏和-7伏。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種方法以及用于實施該方法的設(shè)備以便解決上述問 題。本發(fā)明的目的是通過其特征在于獨立權(quán)利要求所述的方法和設(shè)備來實現(xiàn)的。在從屬權(quán) 利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。 S卩，本發(fā)明提供一種用于對半導體部件進行控制的方法，所述半導體部件(1)包 括受電壓控制的柵極，該方法包括步驟 在使用所述半導體部件(1)之前，確定并存儲在操作狀態(tài)改變期間給予所述半導 體部件的柵極的柵極電壓的參考值；以及 當期望所述半導體部件(1)的操作狀態(tài)變化時根據(jù)所存儲的柵極電壓的參考值 驅(qū)動電路(CI)將脈沖寬度調(diào)制電壓提供給與所述半導體部件(1)的柵極相連的電阻器 (Rg)。
將所確定的且存儲的電壓值存儲為脈沖比。 將所確定且存儲的值確定并存儲為開關(guān)電流的函數(shù)，其中在使用所述部件期間該 方法包括步驟對所述開關(guān)電流進行度量，并且根據(jù)所度量的電流提供脈沖寬度調(diào)制信號。
將所確定且存儲的值進一步確定并存儲為所述部件的開關(guān)電壓和溫度的函數(shù)，其 中在使用所述部件期間該方法包括步驟 對所述部件的開關(guān)電壓和溫度進行度量或者估計，并且根據(jù)所述開關(guān)電流、電壓、 以及溫度提供所述脈沖寬度調(diào)制信號。 所述存儲值包括多個時段的持續(xù)時間以及在該時段期間所使用的脈沖比。 本發(fā)明還提供一種用于對半導體部件(1)進行控制的控制設(shè)備，包括受電壓控制
的柵極，其特征在于所述控制設(shè)備包括 用于存儲在操作狀態(tài)改變期間給予所述半導體部件(1)的柵極的柵極電壓的參 考值的裝置(UP)，該參考值是在使用所述半導體部件之前確定的； 用于根據(jù)所存儲的所述柵極電壓的參考值來提供脈沖寬度調(diào)制信號的裝置 (UP); 電阻單元(Rg)，所述電阻單元與所述半導體部件(1)的柵極相連；以及 驅(qū)動電路(IC1，C1)，用于根據(jù)所述脈沖寬度調(diào)制信號將脈沖寬度調(diào)制電壓提供給
與所述半導體部件的柵極相連的電阻器(Rg)。 所述用于提供脈沖寬度調(diào)制信號的裝置(UP)是微處理器，以及 所述用于存儲所述柵極電壓的參考值的裝置(uP)是微處理器可從其讀取存儲數(shù)
據(jù)的存儲器裝置。 所述驅(qū)動電路(IC1， Cl)包括用于提供電隔離的裝置(IC1)以及用于對脈沖寬度 調(diào)制信號進行放大的放大電路(Cl)，所述脈沖寬度調(diào)制信號是由用于提供電隔離并且根據(jù) 所述柵極電壓的參 值生成脈沖寬度調(diào)制電壓的裝置所隔離。 本發(fā)明基于利用施加到柵極上的特定所選柵極電壓來對半導體部件進行更準確 地控制這樣的方式。在本發(fā)明中，在操作狀態(tài)根據(jù)預(yù)定電壓改變時，柵極電壓變化，因此在 每個瞬時產(chǎn)生電壓以送至具有最佳值的柵極，這取決于部件的需要。通過利用脈寬調(diào)制獲 得柵極電壓的變化，在所述脈寬調(diào)制中，重復(fù)地將正向和負向輔助電壓切換到部件的柵極， 并且根據(jù)脈沖比，確定柵極中的有效電壓。 本發(fā)明的優(yōu)點在于可對半導體部件進行最佳控制以獲得該部件中的最小損失。當 根據(jù)本發(fā)明來控制部件時，因為電壓和電流變化率可被單獨地且最佳地控制，因此還可減 小EMC干擾。此外，還對半導體部件進行完全控制，這可在故障情況下提高可控性。可控性 還是指如果希望用于一些應(yīng)用，則接通或斷開時間可以更長。利用本發(fā)明，由于脈寬調(diào)制允 許對斷開電壓進行控制，因此輔助電壓是對稱的。
附圖簡要說明 在下文中參考附圖通過優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行更詳細地描述，在附圖中

圖1說明了本發(fā)明的實施例；以及 圖2示出了在IGBT接通期間柵極電壓的曲線 。
具體實施例方式
圖1示出了本發(fā)明的實施例的電路圖。在圖1中，柵控半導體部件是IGBT 1。結(jié) 合IGBT，還對部件的寄生電容Ccg和Cge進行說明，Ccg是集電極與柵極之間的電容，并且 Cge是柵極與發(fā)射極端子之間的電容。如繪圖符號所示，電容Ccg具有變化特性。柵電阻 Rg按照已知方式與IGBT的柵極相連。 圖1還示出了脈沖變壓器2從脈沖信號所生成的輔助電壓Vcc和Vee。脈沖變壓 器的次級線圈具有用于對來自次級線圈的電壓進行整流的二極管整流器以及串聯(lián)連接的 電容器。串聯(lián)連接的中點與IGBT的發(fā)射極相連。上部電容器的電壓是相對發(fā)射極正向輔 助電壓Vcc，并且下部電容器的電壓形成了相對發(fā)射極的負向輔助電壓Vee。這些輔助電壓 還可以是通過所謂的自舉方法生成的。 將這些輔助電壓饋送至驅(qū)動電路CI和集成電路電路IC1以用于操作電壓?；?上是放大器電路的驅(qū)動電路CI對從集成電路IC1所接收到的脈沖進行放大。集成電路IC1 在微處理器uP與驅(qū)動電路Cl之間生成電隔離(galvanic s印aration)。換句話說，微處理 器uP生成信號，該信號被電隔離且被進一步放大并且通過柵極電阻器Rg被饋送到IGBT的 柵極。如果uP處于IGBT的發(fā)射極電勢，那么可省去ICl。 在本發(fā)明中，在使用半導體部件之前，確定并存儲柵極電壓的參考值。至少為諸如 接通和斷開過程這樣的操作狀態(tài)的變化確定并存儲這些參考值，但是另外存儲像在故障的 情況下軟斷開這樣的特定情況。這些參考值表示改變操作狀態(tài)的最佳方式，并且在圖1的 實施例中，將值存儲在標簽為接通(1， u， T)、斷開(1， u， T)、軟斷開的數(shù)據(jù)庫中。在圖1的 實施例中，將該參考值確定并存儲為半導體部件的電流、電壓、以及溫度的函數(shù)。
根據(jù)控制算法以及所度量或估計的數(shù)據(jù)，圖l的微處理器uP在塊"CTRL"中創(chuàng)建 控制信號。該控制信號確定有問題的半導體部件將改變其狀態(tài)。根據(jù)來自塊〃 CTRL"的信 號是0n(開)還是0ff(關(guān))或者對故障的指示是否是懸而未決，塊"開/關(guān)/故障"(〃 ON/ OFF/FAULT")可使來自數(shù)據(jù)庫的適當存儲數(shù)據(jù)使能(enable)。最新度量或估計的實際值 i， u， T被用于選擇最好的適當?shù)臇艠O電壓波形。所使用的實際值可以是開關(guān)電流、開關(guān)電 壓、或者部件溫度、或者其任何組合。開關(guān)電流是指開關(guān)之前的相電流的值，開關(guān)電流在開 關(guān)之后流過部件(接通)或者受到部件的阻擋(斷開)。類似地，開關(guān)電壓是指利用部件所 開關(guān)的電壓，并且其幅值典型地等于中間電路的電壓。電壓和電流的值通常很容易從控制 系統(tǒng)中獲得并且可結(jié)合本發(fā)明使用。 根據(jù)本發(fā)明，驅(qū)動電路輸出脈沖寬度調(diào)制電壓，并且將該脈沖寬度調(diào)制電壓饋送 到與控制部件的柵極相連的柵極電阻器Rg。脈沖寬度調(diào)制電壓的脈沖比取決于所存儲的柵 極電壓的參考值。在圖1的電路中，根據(jù)接通或者斷開命令，微處理器uP從存儲器讀取存 儲的參考值，來作為所度量或預(yù)測的實際值的函數(shù)。圖1中示出了存儲器中的數(shù)據(jù)庫位于 微處理器中。然而，存儲器可位于微處理器外部并且要求微處理器可對存儲器進行存取并 且可讀取存儲在其中的數(shù)據(jù)。 微處理器UP根據(jù)該參考值形成并輸出脈沖寬度調(diào)制信號。該P麗信號比實際柵 控電壓具有更小的幅值，但是，微型處理器內(nèi)部的電壓進行按比例放大(scaled)以便P麗 信號的脈沖圖形如所期望的。當利用驅(qū)動電路Cl對該脈沖圖形進行進一步電隔離并放大 時，施加至柵極電阻器上的電壓等于參考電壓。應(yīng)該注意的是P麗信號是由兩個電壓電平形成的。P麗電壓中的連續(xù)電壓脈沖的持續(xù)時間確定平均電壓，該平均電壓在一個控制或者調(diào)制時段中等于期望電壓。 在本發(fā)明中，將脈沖寬度調(diào)制電壓施加至柵極電阻器，而該柵極電阻器與半導體部件的柵極相連。柵極電阻器Rg與寄生電容Ccg和Cge —起形成了用于對P麗脈沖進行濾波的低通濾波器。因此半導體部件的柵極接收經(jīng)過低通濾波的P麗信號，該經(jīng)過低通濾波的P麗信號與柵極電壓的參考值相對應(yīng)。所形成的低通濾波器濾波出P麗信號，這就導致在柵極有基本上平滑的電壓。 在本發(fā)明中，優(yōu)選地，直接將柵極電壓的參考值存儲為脈沖比。當期望改變操作狀態(tài)時，微處理器輸出脈沖寬度調(diào)制信號，該脈沖寬度調(diào)制信號的脈沖比可根據(jù)所度量的或者所估計的電流、電壓、和/或溫度直接從表中讀取。優(yōu)選地，將所存儲的數(shù)據(jù)聚合計量作為電流、電壓、以及溫度的函數(shù)。但是，還可將數(shù)據(jù)僅作為電流和電壓的函數(shù)而存儲。此外，即使數(shù)據(jù)是作為電流、電壓、以及溫度的函數(shù)而存儲的，也可僅使用所度量的或者所估計的電流和電壓來使用該數(shù)據(jù)庫。 為了使開關(guān)動作最佳化，將所存儲的脈沖比按特定時間間隔來分配，即例如時間間隔t0至11 ，脈沖比0. 95 ;時間間隔11至t2 ，脈沖比0. 50 ;時間間隔t2至t3 ，脈沖比0. 8
等等。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，為開關(guān)了的電流、開關(guān)了的電壓、以及溫度的每個組合存儲數(shù)據(jù)。為了保持合理的數(shù)據(jù)庫大小，在不連續(xù)的階段或者間隔，存儲數(shù)據(jù)。當對數(shù)據(jù)庫進行索引時，選擇最近的匹配點以提供脈沖比和持續(xù)時間。 如上所述，為接通和斷開這兩個過程，存儲數(shù)值。此外，所存儲的柵極電壓的參考值包括用于將部件安全地控制到非導電狀態(tài)的故障狀況的參考值。這如圖1中所示的從CTRL塊輸出故障(FAULT)以及可替換地，數(shù)據(jù)存儲器中的〃 軟斷開〃 。
其它存儲的數(shù)值可以包括飽和控制電壓，利用其，可將半導體部件的飽和，控制為所期望的級別。存儲值并不局限于上述提及的，本發(fā)明的方法和設(shè)備可用在用于對半導體部件的柵極電壓進行準確控制的任何目的中。 本發(fā)明要求柵極驅(qū)動器應(yīng)當能發(fā)送數(shù)十納秒的脈沖。這利用諸如Avago的ACPL072L這樣的快速光耦合器或者利用諸如模擬設(shè)備的ADUM1100或德克薩斯儀器的IS0721這樣的快速數(shù)字隔離器是可能的。 圖2示出了當部件的負載是電感時在IGBT接通期間柵極至發(fā)射極電壓的示例。在時段tl期間，柵極電壓從負向輔助電壓上升到Vgth，該電壓就是接通閾值電壓。在時段tl期間，集電極電流和集電極-發(fā)射極的電壓沒有改變，并且使該時段最小，以縮短接通延遲。圖2還示出了施加到部件的柵極電阻器上的脈沖比D。將該脈沖比D定義為D = tcc/T，其中tcc是電壓持續(xù)為Vcc的時間，即在周期時間T，上升。如從圖可知的，在時段tl期間，D基本上是1。 在時段t2期間，IGBT的電流按照跨導所確定的方式而遵循柵極電壓。在圖2的圖表中，假定與反相電路中的相反分支相連的二極管的電流拖尾(current tailing)所需的柵極電壓過沖(overshoot)。在該時間期間，希望對di/dt進行控制，即對電流變化率進行控制。在時段t2期間，D的值保持為小于l。 在時段t3中，柵極電流對可變電容Ccg進行充電。在該時段期間，柵極電壓保持在值Vgmi 1 ler，這取決于部件電流。在時段t3期間，利用柵極電壓來對集電極_發(fā)射極間的電壓的降低率進行控制。時段t3中的脈沖比保持在值小于l。該時段期間的總的柵極電荷是開關(guān)電壓的函數(shù)，并且因此所度量的或所估計的電壓可用于對該時段進行估計。
在時段t4期間，柵極電壓上升至完整的正向輔助電壓Vcc，并且再次希望最小化該時段，并且因此D基本上是1。 在圖2中，沒有給出D或者時段的精確值。這是由于每類部件需要特定控制這樣的事實引起的。應(yīng)該注意的是，雖然將圖2中的操作劃分成四個時段，但是不意味著脈沖比在每個時段之內(nèi)是恒定的。 因為如上述所闡述的，對半導體部件的控制已進行了描述，因此控制電壓很容易變化。 在圖1中通過數(shù)字裝置生成了 P麗信號。然而，通過對電壓電平與三角形波進行比較，可按照眾所周知的方式對這種P麗信號進行解釋。在這種情況下，電壓電平是按比例放大到具有與三角形波相同幅值的柵極電壓的參考值。 如上，僅對瞬變狀態(tài)進行處理，即僅對半導體部件的操作狀態(tài)的改變進行處理。然而，清楚的是還在受控部件處于穩(wěn)態(tài)時，即處于接通或斷開時，本發(fā)明的方法和設(shè)備提供適當?shù)臇艠O電壓。 在本發(fā)明中，上面還將用于生成脈沖寬度調(diào)制信號的元件稱為微處理器。微處理
器是適當元件，但是應(yīng)當理解的是可利用不同部件和元件來執(zhí)行相同功能。 所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員顯而易見的是當技術(shù)發(fā)展時，本發(fā)明構(gòu)思可以多種方式
實現(xiàn)。本發(fā)明和其實施例并不局限于上述示例，而是可在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)變化。
權(quán)利要求
一種用于對半導體部件進行控制的方法，所述半導體部件(1)包括受電壓控制的柵極，其特征在于該方法包括步驟在使用所述半導體部件(1)之前，確定并存儲在操作狀態(tài)改變期間給予所述半導體部件的柵極的柵極電壓的參考值；以及當期望所述半導體部件(1)的操作狀態(tài)變化時，根據(jù)所存儲的柵極電壓的參考值，驅(qū)動電路(C1)將脈沖寬度調(diào)制電壓提供給與所述半導體部件(1)的柵極相連的電阻器(Rg)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將所確定的且存儲的電壓值存儲為脈沖比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于將所確定且存儲的值確定并存儲為開 關(guān)電流的函數(shù)，其中在使用所述部件期間該方法包括步驟對所述開關(guān)電流進行度量，并且 根據(jù)所度量的電流提供脈沖寬度調(diào)制信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于將所確定且存儲的值進一步確定并存儲為 所述部件的開關(guān)電壓和溫度的函數(shù)，其中在使用所述部件期間，該方法包括步驟對所述部件的開關(guān)電壓和溫度進行度量或者估計，并且根據(jù)所述開關(guān)電流、電壓、以及 溫度，提供所述脈沖寬度調(diào)制信號。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求1至4任何一項所述的方法，其特征在于所述存儲值包括多個時 段的持續(xù)時間以及在該時段期間所使用的脈沖比。
6. —種用于對半導體部件(1)進行控制的控制設(shè)備，部件包括受電壓控制的柵極，其 特征在于所述控制設(shè)備包括用于存儲在操作狀態(tài)改變期間給予所述半導體部件(1)的柵極的柵極電壓的參考值 的裝置(UP)，該參考值是在使用所述半導體部件之前確定的；用于根據(jù)所存儲的所述柵極電壓的參考值來提供脈沖寬度調(diào)制信號的裝置(UP);電阻單元(Rg)，所述電阻單元與所述半導體部件(1)的柵極相連；以及驅(qū)動電路(IC1，C1)，用于根據(jù)所述脈沖寬度調(diào)制信號將脈沖寬度調(diào)制電壓提供給與所述半導體部件的柵極相連的電阻器(Rg)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制設(shè)備，其特征在于 所述用于提供脈沖寬度調(diào)制信號的裝置(uP)是微處理器，以及所述用于存儲所述柵極電壓的參考值的裝置(uP)是微處理器可從其讀取存儲數(shù)據(jù)的 存儲器裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或者7所述的控制設(shè)備，其特征在于所述驅(qū)動電路(IC1， CI)包括 用于提供電隔離的裝置(IC1)以及用于對脈沖寬度調(diào)制信號進行放大的放大電路(Cl)，所 述脈沖寬度調(diào)制信號是由用于提供電隔離并且根據(jù)所述柵極電壓的參考值生成脈沖寬度 調(diào)制電壓的裝置所隔離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于對半導體部件進行控制的方法和控制設(shè)備，部件(1)包括受電壓控制的柵極。該方法包括步驟在使用半導體部件(1)之前，確定并存儲在操作狀態(tài)改變期間給予半導體部件的柵極的柵極電壓的參考值；以及當期望半導體部件(1)的操作狀態(tài)變化時，根據(jù)所存儲的柵極電壓的參考值將脈沖寬度調(diào)制電壓從驅(qū)動電路(C1)提供給與半導體部件(1)的柵極相連的電阻器(Rg)。
文檔編號H03K17/94GK101729052SQ200910178328
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者馬丁·萊特寧 申請人:Abb公司