用于反向导通的igbt的控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于控制反向导通的IGBT、也被称为RC-1GBT (反向导通绝缘栅双极型晶体管)的电路装置和方法。
【背景技术】
[0002]在功率电子电路的领域中，晶体管针对多种应用必须能够在反向方向上传输电流。在M0SFET的情况下，为此使用M0SFET的本征二极管。标准IGBT由于其内部结构不能在没有其他器件的情况下反向引导电流。如果要求反向导电，那么通常将二极管与IGBT器件逆向并联。然而，这导致一些不期望的后果。必须相应大地选择用于至少一个IGBT的壳体，使得除了晶体管之外二极管芯片也还有位置。在接合时的布线花费增加，因为现在必须相互连接更高数量的芯片。在整个制造链中必须运行更多的花费，因为除了晶体管芯片之外还必须制造、测量、维持和处理专门的二极管芯片。通过正向电流输送(IGBT)和反向电流输送的去耦合尽可能热学上去耦合这两个过程。对于单个元件的热电阻是相应大的。
[0003]已知单片交织地集成IGBT和二极管。这通过以下方式实现，即IGBT的p型掺杂的集电极区(P型发射极)局部地被中断。在所述位置，η型掺杂的半导体材料(二极管的η型阴极)接触集电极金属化部。因此在发射极(低掺杂的漂移区)和M0S沟道区域中的ρ型掺杂的材料之间形成PIN 二极管结构。这样的IGBT被称为反向导通的IGBT(缩写:RC_IGBT)。这样的 RC-1GBT 例如在文献 US 2007/0231973 A1 (Rilthing、Schulze、Niedernostheide、Hille)中被描述。
[0004]单独的、与IGBT逆向并联的二极管的导通行为示出与IGBT的控制状态的无关性，而这在RC-1GBT中根据器件的设计是不同的。如果RC-1GBT以反向导通运行(即以二极管运行)来控制，那么IGBT的M0S沟道是导通的。因为RC-1GBT可以在两个方向上传输电流，所以对于反向电流的电子形成附加的、与内部二极管并行的电流路径。因为不再是所有电子都有助于PIN 二极管结构的充满(fiberschwemmung)，所以其正向电压降可以明显提高，这通常是不期望的效应。由于该原因，在大多的应用中期望的是，反向导通的IGBT的栅极在二极管运行中截止地控制(即IGBT的M0S沟道被切断)。
[0005]在稳定的二极管载流子充满(Durchflutung)的情况下在器件中所存储的电荷应该在从导通状态到截止状态过渡时被抽取，以便小地保持动态损耗。该电荷量也称为“反向恢复”电荷并且对二极管关断损耗以及对换向伙伴(例如在半桥中布置两个IGBT的情况下另外的IGBT)的IGBT接通损耗有巨大的影响。由于所描述的特性，如果在应用电路的运行进程中本征空转二极管关于其载流子充满(载流子充满，也称为:以载流子的充满)的不同状态被组合，使得应用特定积累的静态的和动态的损耗的和得到最小值，那么可以进行损耗少的二极管运行。
【发明内容】
[0006]因此本发明所基于的任务在于，提供用于控制反向导通的IGBT的电路和方法，其能够实现相对少的损耗。该任务通过根据权利要求1或6的电路以及通过根据权利要求10的用于控制半导体开关的方法来解决。本发明的不同的实施例和改进方案是从属权利要求的主题。
[0007]描述一种用于控制半导体开关的控制电极的控制电路。根据本发明的一个示例，控制电路具有用于连接到半导体开关的控制电极上的第一输出节点、电压供应电路和与电压供应连接的第一开关级以及与电压供应连接的第二开关级。第一电阻网络连接到第一开关级和第一输出节点之间。第二电阻网络连接到第二开关级和第一输出节点之间。控制逻辑电路被构造用于产生用于控制第一开关级和第二开关级的控制信号，使得在半导体开关的第一运行模式中半导体开关仅通过第一电阻网络来控制，并且在半导体开关的第二运行模式中半导体开关仅通过第二电阻网络或两个电阻网络来控制。
[0008]根据本发明的另一个实施例，控制电路具有用于连接到半导体开关的控制电极上的第一输出节点和用于连接到半导体开关的负载电极上的参考节点。控制电路此外包括电压供应电路以及第一晶体管半桥、第二晶体管半桥和第三晶体管半桥，其中每个晶体管半桥与电压供应连接并且具有桥输出节点。第一电阻网络连接到第一晶体管半桥的桥输出节点和第一输出节点之间。第二电阻网络连接到第二晶体管半桥的桥输出节点和第一输出节点之间。第三晶体管半桥的桥输出节点与参考节点连接。
[0009]此外，描述一种用于控制半导体开关的方法。根据本发明的一个不例，方法在第一运行模式中包括:借助第一开关级根据至少一个控制信号通过第一电阻网络将半导体开关的控制端子与电压源的第一或第二端子连接。方法在第二运行模式中包括:借助第二开关级根据至少一个控制信号通过第二电阻网络将半导体开关的控制端子与电压源的第一或第二端子连接。在两个运行模式中，半导体开关的负载端子根据至少一个控制信号并且借助第三开关级与电压源的第一或第二端子连接。
【附图说明】
[0010]随后借助在附图中示出的示例详细解释本发明。图示不必然按照比例的并且本发明不仅限于所示出的方面。更确切地说，重点是示出本发明所基于的原理。在附图中:
图1示出具有欧姆电感负载的IGBT半桥；
图2示出具有用于每个晶体管的栅驱动器电路的图1中的IGBT半桥；
图3是一个表格，其中图2中的半桥的IGBT的导通状态根据相应IGBT的负载电流的方向被总结；
图4是一个用于控制RC-1GBT的电路的示例；
图5示出图4中的示例借助三个M0SFET半桥的可行的实现；
图6是一个表格，其中说明根据图4和图5的示例中的半桥的可能的开关状态；
图7示出根据图5的示例中的第一半桥的不同的实施方式；
图8示出根据图5的示例中的第二半桥的不同的实施方式；
图9示出用于根据图4中的示例控制RC-1GBT的电路的应用示例；和图10示出用于根据图4中的示例控制RC-1GBT的电路的另一应用示例。
[0011 ] 在附图中，相同附图标记表示相同或具有相同或相似意义的相应的部件。
【具体实施方式】
[0012]如上已经提及，单独的、与IGBT逆向并联的二极管的导通行为示出与IGBT的控制状态的无关性。在使用RC-1GBT (反向导通的IGBT)时，IGBT的对应于集成的(本征)二极管的阳极阴极负载段的发射极集电极负载段上的正向电压降以不期望的量上升，只要RC-1GBT的栅极在反向导通运行中被导通地控制并且因此IGBT的M0S沟道是导通的。因为IGBT可以在两个方向上传输电流，所以对于反向电流的电子形成附加的、与本征二极管并行的电流路径，并且不再是所有电子都能够有助于PIN 二极管结构的充满，这导致本征二极管上的电压降明显提高。
[0013]RC-1GBT的典型应用是整流器，在那里被用于控制IGBT半桥的每个相电流。这样的半桥10在图1中示出。半桥10例如由两个串联的η型沟道IGBT TjPT2组成，其中运行电压VDC (中间回路电压，直流母线电压)施加在半桥10上。这就是说，从高侧晶体管!\的集电极到低侧晶体管T2的发射极的电压对应于运行电压V DCO高侧晶体管?\的集电极电位利用Vee来表示并且低侧晶体管Τ 2的发射极电位利用V ^来表示。两个晶体管T Τ 2的共同的电路节点形成半桥10的输出端，通过该输出端输出电流(相电流)i.经过负载20流出。在多个应用中，负载20包括电感k和欧姆电阻Rp中间回路电压VDC大多关于参考电位V?对称，即V cc= V dc/2并且VEE= -V dc/20负载20在该情况下连接在桥输出端和参考电位节点GND之间。
[0014]为了控制桥输出电流(相电流)，可以为每个晶体管设置控制电路11或12以用于控制相应晶体管！\或T 2的栅电极。所述控制电路11、12经常被称为栅驱动器或驱动器电路并且可以被构造用于在开关桥输出电流i.时实现输出电流沿的一定的时间走向(边沿成形)和/或防止桥短路。表明相应的晶体管!\或T 2的额定开关状态的(二进制的)控制信号SiS S 2被输送给栅驱动器11、12。具有用于栅控制的驱动器电路11、12的半桥10在图2中示出。除了与相应的晶体管I\ST2的栅端子和发射极端子连接的驱动器电路11和12之外，图2不出与图1相同的组件。
[0015]在图3中示出半桥的所有四个可能的开关状态。根据控制信号SJP S 2和电流方向的预先规定，该电流方向大多通过电感负载20来预先规定，桥输出端上的输出电位采用值VEE= _Vdc/2SVcc=Vdc/2。在下文中，S1= 0和S2= 0表示，相应的晶体管T^T2S该被关断(截止的M0S沟道)，并且Si= 1和S 2= 1表示，相应的晶体管T:或T 2应该被被接通(导通的M0S沟道)。
[0016]在状态I (参见图3 )中，两个RC-1GBT 1\和T 2截止地控制并且输出电流i ■仅可以流经本征二极管之一 DlintS D 2int0这就是说，根据输出电流i.的电流方向，高侧或低侧晶体管的本征空转二极管D—或D 21#是导通的并且因此输出电位是V EE (在正的输出电流1-的情况下)或V cc (在负的输出电流1^的情况下)。这仅在本征二极管D ^和D 2int的正向电压忽略的情况下近似适用。在两个情况下，或者高侧晶体管!\或者低侧晶体管T 2反向导通。
[0017]在状态II中，仅低侧晶体管！^导通地控制(S1= 0，S2= l)o因此输出电位VQUT与输出电流1-的电流方向无关地近