具有igct的电流开关器件的制作方法

具有igct的电流开关器件的制作方法
【专利摘要】本公开涉及具有IGCT的电流开关器件。一种电流开关器件(8)，包括具有阳极(14)、阴极(16)以及门极(18)的集成门极换流晶闸管(10)，其中通过向该门极施加切断电压(40)而中断该阳极与该阴极之间的电流；以及用于产生该切断电压(40)的门极单元(12)。该门极单元(12)和该门极单元至门极(18)的连接建立具有杂散阻抗的门极电路(38)。该门极单元(12)适用于产生具有最大值(44)的峰形切断电压(40)，该最大值(44)大于该阴极与该门极之间的击穿电压(VGRMAX)，使得由于该门极电路(38)的杂散阻抗，门极处的切断电压保持为低于该击穿电压(VGRMAX)。
【专利说明】具有IGCT的电流开关器件

【技术领域】
[0001] 本发明涉及高功率电子装置领域。特别地，本发明涉及电流开关器件、逆变器 (inverter)以及用于开关集成门极换流晶闸管（IGCT)的方法。

【背景技术】
[0002] 由于IGCT的快速开关行为和它们的低开关损耗，IGCT是例如用于逆变器和其他 高功率电子器件的半导体开关器件。通过将电压施加在IGCT的门极，可以切断处于导通状 态的IGCT。之后，将阳极和阴极之间的电流阻断，并且该IGCT保持在该阻断状态直至将负 电压再次施加到该门极。
[0003] 通常，门极单元用于控制开关并且特别用于控制IGCT的门极电压。在常规门极单 元中，有效门电压由该GCT技术所限制，特别地由在门极与阴极之间的二极管的雪崩或击 穿电压所限制。例如，击穿电压可以为大约24V并且该门极单元在切断期间可以施加20V 的恒定电压。


【发明内容】

[0004] 在静态状态期间，为了改善关断切换，可以增大由门极单元产生的电压和在门极 与阴极之间的击穿电压。如果在这种情况下，未增大击穿电压，可以将门极驱动至稳定雪 崩。尽管可能，但在IGCT技术中增大击穿电压通常是巨大变动。
[0005] 作为替换，可以降低门极电路的阻抗，这也是可能的，但是可能会受到像硅晶圆的 横向扩展、绝缘需求、成本等的实际限制。
[0006] 本发明的目的是在不改变IGCT自身的情况下，可靠且快速的开关IGCT。
[0007] 此目的通过独立权利要求的主题实现。通过从属权利要求和后面的说明书，进一 步的示例性实施方式是明显的。
[0008] 本发明的第一方面涉及电流开关器件。该电流开关器件可以看作包括IGCT及其 控制、即门极单元的模块。该电流开关器件，特别是该IGCT可以适用于开关大电流，即大于 100A或者甚至大于1000A的电流和/或大于1000V或5000V的中压。
[0009] 根据本发明的实施方式，该电流开关器件包括具有阳极、阴极和门极的IGCT，其 中通过将切断电压施加到该门极而能够中断阳极与阴极之间的电流；以及用于产生该切断 电压的门极单元，该门极单元和该门极单元至该门极的连接建立了具有杂散阻抗的门极电 路。该门极单元适用于在阴极与门极之间产生具有大于击穿电压的最大值的峰形切断电 压，从而由于门极电路的杂散阻抗使得在门极处的该切断电压保持为低于该击穿电压。 [0010] 如前所述，IGCT在门极与阴极之间具有二极管，其具有不允许被超越以在可靠方 式下操作该IGCT的击穿或雪崩电压。然而，当施加非恒定切断电压至该门极时，连接至该 门极的该门极电路（其可以包括门极单元与门极接点之间的导电连接和该门极单元的电 路的全部或部分）具有应该考虑在内的阻抗。
[0011] 该门极单元可以产生峰形（即非恒定和/或可变的）切断电压，在该门极处，其通 过门极电路转换为切断电压，该切断电压保持为低于该门极与阴极之间的二极管的击穿电 压。
[0012] 一般而言，IGCT在切断方面的控制可以看作在一方面是有效门电压而另一方面是 门极电路的阻抗之间的竞争。该竞争的目的是在阳极电压开始增大之前使得至该门极（来 自阴极）的阳极电流幅度换向（即切换）。用于该换向的有效时间是大约1微秒。由于该 门极单元所产生的该峰形切断电压，尽可能高的切断电压和相应门电流施加至该门极。
[0013] 在下文中，由门极单元所施加（或产生）的电压可以称为V⑶并且击穿电压可以 称为VGR。关于击穿电压VGR变化的最大可允许电压可以称为VGR MX，例如其可以为20. 5V， 并且可以包含0. 5V的校准误差Aveu。
[0014] 根据下面的等式，该门极电路（其可以在该门极单元电压源与该门极接点之间包 括电感式分压器）在门电流变化时间期间促进更高VGU的施加 ：
[0015] VGUmx = VGRmx+L0 IG+R0IG,
[0016] 其中L。和R。是门极电路的杂散阻抗，VGUMX是该门极单元所产生的最大可允 许电压，并且I e是门电流。已知这些参数并且在知晓门电流和其增长速率的情况下，人们 能够实际上施加比该击穿电压VGR大得多的电压。例如，忽视阻抗的欧姆部分且假定3nH 的合理门极电路阻抗（L。）和50kA/us的门电流增长的门极速率，可允许过电压可以为 3· 1(Γ9ΗΧ50· 109A/s 或 150V。
[0017] 因此，有可能模拟出由门极单元所产生的像峰形那样的切断电压，即在具有上升 和下降电压的两个斜坡之间具有最大值。该切断电压有可能仅具有一个峰形或者具有一个 以上的峰形。
[0018] 根据本发明的实施方式，该峰形切断电压的最大值是该击穿电压的至少两倍，例 如是击穿值的至少10倍，例如大于50V或者大于500V。根据以上等式该最大值可以取决于 门电流。
[0019] 由以上公式，人们还能够推出随着切断电流变化dIG/dt越高，门极单元所产生的 切断电压可能会变得越高。这可以缩短该峰形切断电压的宽度。
[0020] 根据本发明的实施方式，该峰形切断电压的峰形宽度小于30微秒，例如为20微秒 或10微秒。作为范例，该峰形宽度至少为1 μ s。
[0021] 通常来说，门极单元有可能产生预定切断电压（具有固定模式）和/或该门极单 元有可能基于门电流的测量而提供环形受控切断电压（具有可变模式）。
[0022] 根据本发明的实施方式，该门极单元包括用于产生具有固定模式的峰形切断电压 的电压发生器。例如，根据已知的门极电路杂散阻抗和估算出的电流增长，可以模拟出切断 电压的固定模式。当该IGCT需要被切断时，此固定模式可以始终由该门极单元提供。
[0023] 根据本发明的实施方式，该电流开关器件进一步包括用于测量在晶闸管的门极处 的门电流（并且特别是切断电流）的门电流传感器，其中门极单元包括基于所测得的门电 流而调整该峰形切断电压的调压器。例如，该调压器可以知道门极电路的阻抗并且，基于以 上等式通过估算出在短时步阶期间的切断电流而可以确定该切断电压。
[0024] 根据本发明的实施方式，该调压器适用于基于所测得的门电流的时间依赖性而调 整该峰形切断电压。
[0025] 该调压器（用于产生可变模式）和该电压发生器（用于产生固定模式）可以是该 门极单元的电路的一部分。该调压器和/或该电压发生器可以适用于调整DC输出电压。
[0026] 概括而言，该门极单元可以装备有"智能"电压调整和/或产生系统，其适用于以 该门电流的上升率来馈送电压。该系统可以施加可能的最大门电压，而未将该门极驱动进 入雪崩，不是在开关期间可能在极短时间内。
[0027] 根据本发明的实施方式，该门极单元包括用于提供该峰形切断电压的内部电压 源，该电压源由比该峰形切断电压的最大值低的门极单元输入电压来供电。这样，该门极单 元的供电电压不必增加。当无需高切断电压时，在一段时间内该内部电压源可以进行充电。 例如，该电压源可以包括在峰形切断电压产生之间的时间中进行充电的电容。该内部电压 源并且特别是该电容可以将大于100V、200V、500V的电压提供至电压发生器和/或调压器， 其接着形成所施加的切断电压的模式。
[0028] 根据本发明的实施方式，该峰形切断电压在门极单元的第一通道产生。该第一通 道可以包括该内部电压源（具有充电为大大高于该击穿电压的电容器或电容器组）和/或 电压发生器和/或调压器。
[0029] 该第一通道可以看作关断通道，当存在门电流的陡然变化时（dle/dt >> 0)，该 关断通道负责在关断时施加最大可允许切断电压。第一通道的输出电压可以是固定大小 (即，可以具有固定模式）并且在有限的时间内，或者可以是可调电压（变化模式和/或根 据以上等式）。
[0030] 根据本发明的实施方式，门极单元可以包括适用于在峰形切断电压已经产生之后 产生恒定切断电压的第二通道，该恒定切断电压低于阴极与门极之间的击穿电压。该门极 单元可以具有两个关断通道和用于在这两个关断通道之间进行切换的门通道（gateway)， 第一通道作为具有低于该击穿电压的电压的静态源，并且第二通道作为动态源，其可调整 但是具有高于该击穿电压的最大电压。
[0031] 该第二通道可以看作关断通道，其可以负责保护该器件免于意外触发（dV/dt 等）。该第二通道可以连接到具有比较不严的阻抗要求的门极。该第二通道的电压不必与 击穿电压相关，但是可以相当低，例如是5V。
[0032] 根据下述方案，这些通道可以在时间上分开应用于门极：每当第一通道的输出电 压高于第二通道的输出电压时，可以应用该第一通道。否则，可以应用该第二通道。
[0033] 具有两个通道的配置的一个优势可以是可避开降低门极电路阻抗的困难，特别是 考虑到适用于不断增大的电流额定值的IGCT的高关断电流。另一优势可以是降低对用于 内部电压源的电容的需求。
[0034] 如上文和下文所述，本发明的另一方面涉及中等电压逆变器，其包括多个电流开 关器件。例如，在恒定电压源之间串联连接的两个开关器件（与适当控制装置一起）可以 用于在它们的互连处产生交流单相电流。
[0035] 本发明的另一方面涉及用于开关IGCT的方法。该方法可以通过该IGCT的门极单 元自动执行。要理解到，在上文和下文所描述的方法的特征可以是在上文和下文所描述的 电流开关器件的特征。
[0036] 根据本发明的实施方式，该方法包括步骤：接收用于门极单元中的晶闸管的切断 信号；产生峰形切断电压，其中该峰形切断电压具有大于在该晶闸管的阴极与门极之间的 击穿电压的最大值；通过门极电路将该峰形切断电压施加到晶闸管的门极，从而由于该门 极电路的杂散阻抗而使得在该门极的该切断电压保持低于该击穿电压。
[0037] 换句话说，该门极电路的阻抗可以考虑用于设置由该门极单元所产生的该切断电 压的最大值。如果该门电流变化得快，则所产生的切断电压可以比在门极与阴极之间的击 穿电压大得多。
[0038] 根据本发明的实施方式，该方法进一步包括步骤：产生具有固定模式的峰形切断 电压。如已经解释过的，该门极单元可以包括电压发生器，当接收到切断信号时其总是会产 生相同峰形切断电压。
[0039] 根据本发明的实施方式，该方法进一步包括步骤：测量在晶闸管的门极的门电流； 以及基于所测得的门电流调整该峰形切断电压。基于所测得的门电流有可能控制所施加的 切断电压的最大值和/或模式。
[0040] 根据本发明的实施方式，该方法进一步包括步骤：在该峰形切断电压施加之后，产 生恒定切断电压，该恒定切断电压低于在阴极与门极之间的二极管的击穿电压。这两个电 压可以由上文和下文所述的门极单元的通道产生。
[0041] 由于并通过参考下文所述的实施方式而进行说明，本发明的这些以及其他方面将 会是显而易见的。

【专利附图】

【附图说明】
[0042] 在下文中参考在附图中所阐述的示范性实施方式，将会使得本发明的主题得到更 详细的说明。
[0043] 图1示意性地示出了根据发明的实施方式的电流开关器件。
[0044] 图2示意性地示出了根据发明的另一实施方式的电流开关器件。
[0045] 图3示出了根据发明的实施方式的具有峰形切断电压的图表。
[0046] 图4示出了根据发明的实施方式的逆变器。
[0047] 原则上，在附图中相同部件提供为具有相同的附图标记。

【具体实施方式】
[0048] 图1示出了具有IGCT10和门极单元12的电流开关器件8。该IGCT10具有阳极14 和阴极16,其提供该电流开关器件8的高功率输出。该IGCT10进一步具有门极18,其用于 开关该IGCT10。当将负接通电压施加到该门极18时，该IGCT10变为导通状态，并且电流可 以在该阳极14与该阴极16之间流动。当将正切断电压施加到该门极18时，该IGCT10阻 断并且该阳极14与该阴极16之间的电流流动被中断。
[0049] 为了避免门极18与阴极16之间的二极管发生雪崩，该切断电压需要不超过依赖 于该IGCT10的设计的击穿电压。例如，该IGCT10可以适于开关高达1000A和5000A的电 流并且该击穿电压可以为大约24V。
[0050] 施加到该门极18的电压由门极单元12产生，该门极单元12提供电流开关器件8 的两个低电力输入20、22。在信号输入20处，该门极单元12可以接收触发IGCT10的开关 的接通和切断信号。此外，该门极单元具有可以连接到低电压电力源的电力输入22,其例如 可以以击穿电压的量值提供电压，例如20V。
[0051] 该门极单元12包括控制器24、内部电压源26、恒定电压发生器28以及可变电压 发生器30。该控制器24可以接收切断以及接通信号并且可以控制该恒定电压发生器28以 及该可变电压发生器30以产生施加到该门极18的相应电压。
[0052] 该恒定电压发生器28适用于产生待施加到该门极18的恒定电压（例如5V)，其低 于门极18与阴极16之间的击穿电压。此恒定电压可以在输入22处由该输入电压直接产 生，并且可以用于避免该IGCT10发生意外触发。
[0053] 该可变电压发生器30适用于产生待施加到该门极18的可变电压，该可变电压可 以高于该击穿电压。该可变电压由该内部电压源26的输出电压产生，其适用于将输入22 处的电压转换为更高水平。该内部电压源26可以包括利用此电压充电的电容器组。
[0054] 该内部电压源26与该可变电压发生器30可以看作该门极单元12的第一通道32， 并且该恒定电压发生器28可以看作该门极单元12的第二通道34。
[0055] 当通过控制器24进行触发，该可变电压发生器30适用于产生峰形切断电压40,其 将参考图3得到更详细的说明。该峰形切断电压40具有固定形状或模式，即可不依赖于其 他参数，像例如门电流。
[0056] 图2示出了电流开关器件8的另一实施方式，其代替可变电压发生器30而具有可 变电压调整器30'。该可变电压调整器30'从门极18处的电流传感器36接收测量信号并 且产生具有基于所测得的门电流的模式的峰形切断电压40。
[0057] 图3示出了具有峰形切断电压40的图表。通过该门极单元12可以实施的产生该 峰形切断电压40的方法可以参考此图表进行解释说明。
[0058] 在时间&之前，该IGCT10导通并且电流在阳极14与阴极16之间流动。
[0059] 如图3所示，在时间h时，门极单元的控制器24接收切断信号并且触发该可变电 压发生器30或者该可变电压调整器30'以产生峰形切断电压。
[0060] 在时间与t2之间（其对应于峰形宽度），峰形可变电压40被生成并施加到至该 IGCT10的门极18。由该可变电压发生器30或者该可变电压调整器30'产生的该可变电压 40的模式或形状以这样的一种方式形成，即由于门极电路38、即门极单元12和门板18的 电路的阻抗，在门极18处的电压不会超过击穿电压VGR MX。根据以上所述的等式，切断电压 VGU的最大可允许电压VGUMX取决于门极电路38的杂散阻抗（L。和R。）、门电流Ie和门电 流I e的时间导数。因此，当门电流高和/或者变化快时，由门极单元12所产生的该切断电 压VGU可以比该击穿电压VGR MX商（得多）。
[0061] 在图3中，该峰形切断电压40具有包含比该击穿电压VGRg高的一个最大值44的 峰形42。该切断电压包括具有其峰形42的该峰形切断电压40以及示范性的恒定切断电压 46。
[0062] 每当接收到切断信号20,该峰形切断电压40的最大值44和/或其形状或模式可 以固定。例如，该可变电压发生器30产生具有固定模式的峰形切断电压40。
[0063] 然而，该最大值和/或形状适用于门电流也是有可能的。例如，该可变电压调整器 30'产生具有可变模式的峰形切断电压40。例如，在时间&与〖2之间，该可变电压调整器 30'可以从传感器36接收测量信号并且可以基于以上等式计算该峰形切断电压40。特别 地，可以根据以上等式计算该峰形切断电压40,即输出电压40可以设置为由以上等式的右 侧所计算的值。
[0064] 在时间t2之后，当由第一通道32所产生的峰形切断电压40下降到低于由第二通 道34所产生的电压时，该电压生成切换到该第二通道34。因此，在时间t2之后，施加到门 极18的电压46由恒定电压发生器28产生。利用电压46 (其可低于击穿电压VGRMX)，避免 了 IGCT10的意外开关。
[0065] 图4示出了包括六个电流开关器件8的逆变器50。将三对电流开关器件8并联连 接到DC中间电压源52。通过控制器54(其产生用于开关器件8的开关信号20)的控制，每 一对电流开关器件8均产生交流单相输出电流56。因此，逆变器50,例如可产生可以施加 到电机的三相输出电流。
[〇〇66] 尽管在附图和前面的描述中详细阐述并描述了本发明，这些阐述和说明被认为是 阐释性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施方式。对于所公开实施方式的 其他变化是本领域技术人员能够理解并且实现的，并且通过研究附图、公开内容和所附权 利要求实现所要求的发明。在权利要求中，词语"包括"不排除其他元件或步骤，并且不定 冠词"一"不排除有多个。单个处理器或控制器或者其他单元可以满足在权利要求中所列 举的若干项目的功能。单纯的事实是在彼此不同的从属权利要求中所列举的特定方案并不 意味着这些方案的组合不能用于进行利用。在权利要求中的附图标记不应解释为限制其范 围。
【权利要求】
1. 一种电流开关器件（8,8'），包括： 集成门极换流晶闸管（10)，具有阳极（14)、阴极（16)以及门极（18)，其中通过向该门 极施加切断电压（40)而中断该阳极（14)与该阴极（16)之间的电流； 门极单元（12)，用于产生该切断电压（40)，该门极单元（12)和该门极单元至门极（18) 的连接建立具有杂散阻抗的门极电路（38); 其中该门极单元（12)适用于产生具有最大值（44)的峰形切断电压（40)，该最大值 (44)大于该阴极（16)与该门极（18)之间的击穿电压（VGRmx)，使得由于该门极电路（38) 的杂散阻抗，在门极（18)处的切断电压保持为低于该击穿电压（VGR mx)。
2. 根据权利要求1所述的电流开关器件（8,8'）， 其中该峰形切断电压（40)的最大值（44)是该击穿电压（VGRMX)的至少两倍。
3. 根据权利要求1或2所述的电流开关器件（8,8'）， 其中该峰形切断电压（40)的峰形宽度小于30微秒。
4. 根据前述权利要求的其中之一所述的电流开关器件（8)， 其中该门极单元（12)包括用于产生具有固定模式的峰形切断电压（40)的电压发生器 (30)。
5. 根据前述权利要求的其中之一所述的电流开关器件（8'），进一步包括： 门电流传感器（36)，用于测量在晶闸管（10)的门极（18)处的门电流； 其中该门极单元（12)包括基于所测得的门电流调整该峰形切断电压（40)的调压器 (30,）。
6. 根据权利要求5所述的电流开关器件（8'）， 其中该调压器（30'）适用于基于所测得的门电流的时间依赖性而调整该峰形切断电 压（40)。
7. 根据前述权利要求的其中之一所述的电流开关器件（8,8'）， 其中该门极单元（12)包括内部电压源（26)，该内部电压源（26)用于提供高于该击穿 电压（VGRMX)的电压，该内部电压源（26)由低于该峰形切断电压（40)的最大值的该门极 单元（12)的输入电压（22)供电。
8. 根据权利要求7所述的电流开关器件（8,8'）， 其中该电压源（26)包括在峰形切断电压（40)输出之间的时间中进行充电的电容。
9. 根据前述权利要求的其中之一所述的电流开关器件（8,8'）， 其中该峰形切断电压（40)在该门极单元（12)的第一通道（32)内产生； 其中该门极单元（12)包括适用于在该峰形切断电压（40)已经产生之后产生恒定切 断电压（46)的第二通道（34)，该恒定切断电压（46)低于在阴极与门极之间的该击穿电压 (VGR祖)。
10. -种中等电压逆变器（50)，包括多个根据前述权利要求1至9的其中之一所述的 电流开关器件（8,8'）。
11. 一种用于开关集成门极换流晶闸管（10)的方法，该方法包括步骤： 接收用于门极单元（12)中的晶闸管的切断信号（20); 产生峰形切断电压（40)，其中该峰形切断电压（40)具有最大值（44)，该最大值（44) 大于该晶闸管（10)的阴极（16)与门极（18)之间的击穿电压（VGRmx); 通过门极电路（38)将该峰形切断电压（40)施加到晶闸管（10)的门极（18)，使得由于 该门极电路（38)的杂散阻抗在门极（18)处的切断电压保持为低于该击穿电压（VGRmx)。
12. 根据权利要求10所述的方法，进一步包括步骤： 产生具有固定模式的峰形切断电压（40)。
13. 根据权利要求10或11所述的方法，进一步包括步骤： 测量晶闸管（10)的门极（18)处的门电流； 基于所测得的门电流调整该峰形切断电压（40)。
14. 根据权利要求10至13的其中之一所述的方法，进一步包括步骤： 在该峰形切断电压（40)施加之后，产生恒定切断电压（46)，该恒定切断电压（46)低于 在阴极（16)与门极（18)之间的击穿电压（VGIW)。
【文档编号】H03K17/08GK104113313SQ201410270288
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2013年4月19日
【发明者】T·维克斯特雷姆 申请人:Abb技术有限公司