Rc-igbt開關脈沖控制的制作方法
【技術領域】
[0001]本文所公開的發明涉及功率半導體裝置。更精確的是，其涉及一種控制反向導通絕緣柵雙極晶體管(RC-1GBT)，特別是雙模式絕緣柵晶體管(BIGT)的方法以及用于控制這類RC-1GBT的控制器。
【背景技術】
[0002]IGBT廣泛用于包含電壓源轉換器的高功率開關設備，比如高電壓DC(HVDC)設備。在這類應用中，IGBT通常與并聯布置并且沿反向晶體管方向而導電(“續流二極管”)的二極管組合。
[0003]RC-1GBT是其中晶體管與沿反向晶體管方向導電的二極管組合的芯片。在這個概念內已經提出并且使用許多芯片設計，其也已經進一步發展為雙模式絕緣柵晶體管(BIGT)。如本文所使用的，術語RC-1GBT涵蓋常規的RC-1GBT和BIGT。RC-1GBT能夠操作在也稱為晶體管模式或正向模式的IGBT模式(正集電極-發射極電流)下，以及操作在也稱為反向模式的二極管模式(負集電極-發射極電流)下。然而，二極管模式下的陽極效率取決于柵極電壓。當柵極關斷時，二極管模式下的陽極效率為高，而當柵極導通時陽極效率降低。BIGT相對于其他RC-1GBT設計的特別優點在于它們在IGBT和二極管模式下的軟關斷行為。也似乎有可能比在更早RC-1GBT技術中進一步降低在BIGT中反向恢復損耗。
[0004]在由Rahimo 等人于 Proceedings Of 20th Internat1nal Symposium on PowerSemiconductor Devices&Ics (18-22 May 2008)上名為 “A high current 3300V moduleemploying reverse conducting IGBT setting a new benchmark in output powercapability”的文章中討論了 RC-1GBT中柵極-發射極電壓控制的方面。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于以這種方式控制RC-1GBT對的柵極-發射極電壓，使得改進在開關循環中的整體能量效率。RC-1GBT對例如可布置在電壓源轉換器中的全橋(諸如Η橋)或半橋中。
[0006]因此，本發明提供了一種具有獨立權利要求中所闡述的特征的控制方法和控制器。本發明的有利實施例由從屬權利要求限定。
[0007]因此，根據第一方面，提供了一種控制串聯電連接的第一和第二反向導通絕緣柵雙極晶體管(RC-1GBT)的方法。第一 RC-1GBT的集電極電連接到直流(DC)電壓源的正極，并且第二 RC-1GBT的發射極電連接到DC電壓源的負極。此外，第一 RC-1GBT的發射極電連接到第二RC-1GBT的集電極以形成交流(AC)端子。方法包括將柵極電壓應用到第一和第二RC-1GBT的相應的柵極。基于AC端子上輸出電流的幅度和方向以及基于為相應的RC-1GBT指示目標導通和關斷時刻的命令信號(Cmd)而控制柵極電壓。
[0008]根據第二方面，提供了一種用于控制第一和第二 RC-1GBT的控制器。第一和第二RC-1GBT串聯電連接并且布置，使得第一 RC-1GBT的集電極電連接到DC電壓源的正極，并且第二 RC-1GBT的發射極電連接到DC電壓源的負極。第一 RC-1GBT的發射極電連接到第二 RC-1GBT的集電極以形成AC端子，并且控制器連接到布置成測量從AC端子流出的輸出電流的定向電流計。控制器包括適用于接收為相應的RC-1GBT指示目標導通和關斷時刻的命令信號的輸入電路。控制器也包括適用于從電流計接收關于AC端子上所測輸出電流的幅度和方向的信息的處理器。處理器進一步適用于基于所接收到的命令信號以及所接收到的關于所測輸出電流的幅度和方向的信息而確定用于應用到第一和第二 RC-1GBT的相應的柵極的柵極電壓。控制器進一步包括連接到第一和第二 RC-1GBT的相應的柵極的輸出電路，其中輸出電路適用于將所確定的柵極電壓應用到第一和第二 RC-1GBT的相應的柵極。
[0009]根據第三方面，提供了一種用于在AC和DC電流之間轉換的電壓源轉換器。電壓源轉換器包括所連接的RC-1GBT的布置，至少包括串聯電連接的第一和第二 RC-1GBT，并且被布置，使得第一 RC-1GBT的集電極電連接到DC電壓源的正極，以及第二 RC-1GBT的發射極電連接到DC電壓源的負極。第一 RC-1GBT的發射極電連接到第二 RC-1GBT的集電極以形成AC端子。電壓源轉換器進一步包括按照本發明第二方面的控制器。
[0010]根據第四方面，提供了一種計算機程序產品。計算機程序產品包括具有指令的數據載體，用于引起連接到第一和第二 RC-1GBT的可編程處理單元執行根據本發明第一方面的方法。
[0011]本發明的實施例是有利的。因為啟用模式相關的開關控制。除了命令信號之外，基于AC端子處的輸出電流的方向而控制RC-1GBT的開關還允許當操作在二極管模式下時降低應用到RC-1GBT的柵極電壓以便降低RC-1GBT的電阻，并且因此降低導電損耗。此外，在在二極管模式下的RC-1GBT將要關斷時應用高電平的柵極電壓可最小化所存儲的電荷并且降低反向恢復損耗。也通過基于輸出電流的幅度而控制開關，可降低弄錯具有低幅度的輸出電流的方向的風險。本發明因此提供了以安全和可靠方式降低RC-1GBT中導通和開關損耗的可能性。
[0012]如在本公開的實施例的某一個中，響應于具有大幅度、即在所選電流幅度閾值之上的輸出電流而省略RC-1GBT中的一個的至少某一開關有利地允許降低開關損耗。
[0013]將理解，上面所涉及的DC電壓源可以是高電壓直流(HVDC)電功率傳輸系統、光伏元件或存儲元件。此外，第一和第二 RC-1GBT可包含在諸如半橋配置的單元配置中，或者包含在全橋配置中，并且電連接到存儲元件。也將理解，如果第一和第二 RC-1GBT包含在級聯單元的支路的單元中，AC端子上輸出電流的測量可在支路的任何地方由測量流過支路的電流的定向電流計獲得。電流計可供應一個或多個控制器關于輸出電流的信息。因此例如在包括若干在轉換器的AC端子與DC端子之間連接的多個級聯單元的支路的HVDC轉換器中，有可能測量每個支路的支路電流并且將其作為關于輸出電流的信息而提供到多個控制器，其根據本公開不同實施例，向多個單元提供柵極控制。可在支線(arm)中認為合適的諸如接近支線電抗器的位置處測量支路電流。因此支路電流無需接近RC-1GBT而在附近測量。
[0014]第一和第二 RC-1GBT可以是BIGT對。
[0015]也將理解，可由控制單元產生命令信號，其也可適用于基于從定向電流計所接收到信息而確定來自第一和第二 RC-1GBT的輸出電流的幅度和方向，并且適用于將輸出電流的方向和幅度遞送到控制器。
[0016]如上所述，根據本發明的一個方面，提供了一種用于控制可編程處理單元的計算機可讀指令。這類指令可以以包括存儲指令的計算機可讀媒介的計算機程序產品的形式而分布。特別地是，指令可裝載在負責向一個或若干RC-1GBT供應高電平和低電平柵極電壓的柵極單元中FPGA或微控制器中。
[0017]在研究以下詳細公開、附圖和所附權利要求時，本發明的其他目的、特征和優點將顯而易見。本領域技術人員認識到，即使在不同權利要求中所引用的，本發明的不同特征能夠被組合在除了在以下描述的那些之外的實施例中。
【附圖說明】
[0018]通過本發明實施例以下的說明性的和非限制的詳細描述將更好地理解本發明的上面以及附加的目的、特征和優點。將參考附圖，在其上:
[0019]圖1是圖示在半橋配置中兩個RC-1GBT的示意圖；
[0020]圖2和圖3是圖示根據不同情形和實施例的應用到第一和第二 RC-1GBT的