一种半导体器件、控制方法以及变流器技术

本申请实施例公开了一种半导体器件以及变流器。本申请提供的半导体器件包括：低压开关器件、第一二极管以及第二二极管；低压开关器件和第一二极管构成串联结构；第二二极管并联在低压开关器件和第一二极管构成的串联结构的两端；第一二极管和第二二极管的通流方向一致。其中，所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管。当半导体器件处于导通状态时，控制设备控制低压开关器件导通，利用第一二极管和第二二极管同时续流，以降低半导体器件的导通压降；当半导体器件关断时，控制设备控制低压开关器件提前预设时间关断，从而将负载电流全部转移到第二二极管中，利用第二二极管和互补器件实现换流，以降低半导体器件的反向恢复电流。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体器件、控制方法以及变流器
本专利技术涉及电子
，特别涉及一种半导体器件、控制方法以及变流器。
技术介绍
变流器作为电能转化的核心环节，广泛应用于各种电气设备中，实现交流电(英文：AlternatingCurrent，简称：AC)/直流电(英文：DirectCurrent，简称：DC)、AC/AC、DC/DC、DC/AC间的能量转换。为了提高变流器的功率密度，降低设备的重量和体积，金属氧化物半导体场效应管(英文：Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor，简称：MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(英文：InsulatedGateBipolarTransistor，简称：IGBT)由于开关频率高、开关损耗低，在变流器中得到广泛利用。在变流器中，二极管通常跟MOSFET、IGBT等主动型半导体器件构成换流桥臂，实现负载电流的续流。硅基二极管加工工艺成熟，可靠性高，广泛应用在各种变流器中，但硅材料击穿场强低，高压硅基二极管中通过引入P-i-N结构以增加器件的击穿电压，而P-i-N型二极管在前向通流期间会在漂移区存储少子电荷，该部分电荷会在器件关断瞬间产生反向恢复电流，在器件本身上导致严重的电压应力和开关损耗，同时互补器件的开关损耗也相应增加。随着宽禁带材料的快速发展，碳化硅肖特基二极管可实现高电压，并且不存在反向恢复电流，可大幅度降低器件的开关损耗及电压应力，进而可提升变流器性能。但相比硅基二极管，碳化硅二极管前向导通压降大，尤其在高温大电流时，如图1(a)所示。图1(a)中曲线显示，在高温大电流下，硅基二极管前向导通压降有所下降，而碳化硅肖特基二极管的前向导通压降明显增加，导致变流器的导通损耗增加。同时，当前阶段，碳化硅二极管的成本还远高于硅基二极管，若大量采用碳化硅二极管，产品的成本相应增加，从而降低产品的市场竞争力。MOSFET和IGBT作为主动型开关器件，广泛地应用在高功率密度变流器中，但相比IGBT，MOSFET为多子器件，不存在少子注入现象，因此开关速度快，开关频率高，但通流能力差，通态压降高，不适合大功率应用。另一方面，MOSFET存在反并的体二极管，但高压MOSFET的体二极管反向恢复性能差，利用该体二极管续流时可造成严重的反向恢复损耗，甚至导致器件本身和互补器件过流损坏。因此，MOSFET常应用在高频中小功率的变流器中。为了消除MOSFET体二极管的反向恢复问题，目前常用的技术如图1(b)所示，即在MOSFET通流支路中增加低压二极管FWD2以阻断MOSFET体二极管D1的导通，并在MOSFET和FWD2串联结构的两端反向并联快恢复二极管FWD1以构成续流回路。由于二极管FWD1的反向恢复特性远优于MOSFET的体二极管D1，从而可大幅度降低器件的反向恢复问题。为了满足高压大功率的应用需求，IGBT在功率MOSFET的基础上，通过改进器件结构，引入了少子注入效应，大幅度降低了器件的导通压降，增加了器件的通流能力。但由于器件前向导通时增加了PN结，器件存在导通阈值电压Vonth，如图1(c)所示。该阈值电压Vonth会增加变流器的功率损耗，不利于优化变流器效率。另一方面，器件的少子注入效应降低了器件的开关速度，并导致IGBT关断时存在拖尾电流，增加了器件的关断损耗。因此IGBT常应用在大功率中低频的变流器中，如UPS、大功率电机驱动等。相比MOSFET，IGBT开关频率低、开关损耗大，基于IGBT的变流器通常功率密度低，无法满足变流器小型化的需求。虽然有电力电子工作者提出通过MOSFET和IGBT的混合并联降低器件的导通损耗和开关损耗，如图1(d)所示，但MOSFET和IGBT简单的并联无法克服MOSFET体二极管的反向恢复问题。MOSFET和IGBT的混合并联仍有很大的提升空间。综上所述，宽禁带材料肖特基二极管无反向恢复电流，但前向导通压降大、成本高，不利于降低变流器的导通损耗和成本。MOSFET开关频率高，但通流能力低，体二极管反向恢复特性差，而IGBT导通压降低，但开关损耗大，开关频率低，单独采用或简单的并联无法综合各自器件的优势，降低变流器损耗，提升变流器性能。因此在利用当前功率半导体器件的前提下，亟需一种可降低器件损耗、提升变流器开关频率的解决方法，以进一步降低变流器体积，提升变流器功率密度，开展相关工作的研究具有重要的工程应用价值和市场价值。
技术实现思路
本申请提供了一种半导体器件、控制方法以及变流器，能够降低器件的损耗，从而提升变流器的性能。本申请的第一方面提供了一种半导体器件，应用在功率变流器中，该功率变流器包括控制设备和该半导体器件；该半导体器件包括低压开关器件、第一二极管以及第二二极管；该低压开关器件和该第一二极管构成串联结构；该第二二极管并联在该低压开关器件和该第一二极管构成的串联结构的两端，该第一二极管和该第二二极管的通流方向一致。第一二极管和第二二极管通流方向一致，当所述半导体器件处于导通状态时，所述控制设备控制所述低压开关器件导通，利用所述第一二极管和所述第二二极管同时续流，以降低所述半导体器件的导通压降。而换流过程中，当所述半导体器件关断时，所述控制设备控制所述低压开关器件提前预设时间关断，从而将负载电流全部转移到所述第二二极管中，利用所述第二二极管和互补器件实现换流，以降低所述半导体器件的反向恢复电流。由于所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管，可大幅降低器件的开关损耗。实际应用中，可合理优化第一二极管和第二二极管的容量配置，以实现器件导通特性、开关特性和成本的最优化。在本申请第一方面的一个实施例中，所述低压开关器件包括低压的场效应晶体管FET、低压的结型场效应晶体管JFET、或低压的金属氧化物场效应晶体MOSFET。其中，该低压的MOSFET可采用低压的N型MOSFET或低压的P型MOSFET，第一二极管二极管可采用硅基P-i-N型二极管，而第二二极管可采用碳化硅肖特基二极管。由于硅基P-i-N二极管的前向导通压降低于碳化硅肖特基二极管的导通压降，因此利用第一二极管续流，可降低器件的导通损耗，而换流过程中，提前关断低压开关器件，将负载电流换流到第二二极管中，利用第二二极管和互补器件实现换流。由于第二二极管为肖特基二极管，无反向恢复电流，可大幅降低器件的开关损耗。通常情况下，可适当增加第一二极管的容量，利用该二极管实现通流，而第二二极管通流时间短，成本高，可减小其配置容量，进而降低成本。实际应用中，可合理优化第一二极管和第二二极管的容量配置，以实现器件导通特性、开关特性和成本的最优化，同时第二二极管亦可采用硅基低反向恢复二极管。本申请的第二方面提供了一种控制方法，用于控制半导体器件的开关时序，所述半导体器件用于跟功率开关器件(互补器件)构成桥式电路，并通过控制器控制驱动时序；所述半导体器件包括低压开关器件、第一二极管以及第二二极管；所述低压开关器件和所述第一二极管构成串联结构；所述第二二极管并联在所述低压开关器件和所述第一二极管构成的串联结构的两端；所述第一二极管和所述第二二极管的通流方向一致；所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，应用在功率变流器中，所述功率变流器包括控制设备和所述半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：低压开关器件、第一二极管以及第二二极管；所述低压开关器件和所述第一二极管构成串联结构；所述第二二极管并联在所述低压开关器件和所述第一二极管构成的串联结构的两端；所述第一二极管和所述第二二极管的通流方向一致；当所述半导体器件处于导通状态时，所述控制设备控制所述低压开关器件导通，利用所述第一二极管和所述第二二极管续流；当所述半导体器件关断时，所述控制设备控制所述低压开关器件提前关断，使得负载电流转移到所述第二二极管中以通过所述第二二极管实现换流。其中，所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管。

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件，应用在功率变流器中，所述功率变流器包括控制设备和所述半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：低压开关器件、第一二极管以及第二二极管；所述低压开关器件和所述第一二极管构成串联结构；所述第二二极管并联在所述低压开关器件和所述第一二极管构成的串联结构的两端；所述第一二极管和所述第二二极管的通流方向一致；当所述半导体器件处于导通状态时，所述控制设备控制所述低压开关器件导通，利用所述第一二极管和所述第二二极管续流；当所述半导体器件关断时，所述控制设备控制所述低压开关器件提前关断，使得负载电流转移到所述第二二极管中以通过所述第二二极管实现换流。其中，所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述低压开关器件包括低压的场效应晶体管FET、低压的结型场效应晶体管JFET、或低压的金属氧化物场效应晶体MOSFET。3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述低压的MOSFET为低压的N型MOSFET或低压的P型MOSFET。4.根据权利要求1至3任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述低导通压降二极管包括低导通压降的硅基二极管，所述低反向恢复二极管包括肖特基二极管或低反向恢复的硅基二极管。5.一种控制方法，用于控制半导体器件的开关时序，所述半导体器件用于跟功率开关器件构成桥式电路；所述半导体器件包括低压开关器件、第一二极管以及第二二极管；所述低压开关器件和所述第一二极管构成串联结构；所述第二二极管并联在所述低压开关器件和所述第一二极管构成的串联结构的两端；所述第一二极管和所述第二二极管的通流方向一致；所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管；其特征在于，所述控制方法包括：所述低压开关器件在所述功率开关器件开通后延迟时间Td1开通；所述低压开关器件在所述功率开关器件开通时刻提前时间Td2关断；其中，所述延迟时间Td1和所述提前时间Td2由所述控制器根据器件特性和电路工作状态单独设定。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述延迟时间Td1的最大时间不大于所述功率开关器件的导通时间。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述提前时间Td2的最大时间不大于所述功率开关器件的关断时间。8.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件用于跟功率开关器件构成桥式电路；所述半导体器件包括：低压开关器件、绝缘栅双极型晶体管IGBT、第一二极管以及第二二极管；所述低压开关器件和所述IGBT构成串联结构；所述第一二极管反向并联在所述IGBT的两端；所述第二二极管反向并联在所述低压开关器件和所述IGBT构成的串联结构的两端；所述第一二极管和所述第二二极管的通流方向一致；所述低压开关器件在所述功率开关器件开通后延迟时间Td1开通；所述低压开关器件在所述功率开关器件开通前提前时间Td2关断；其中，所述延迟时间Td1和所述提前时间Td2由所述控制器根据器件特性和电路工作状态单独设定；其中，所述第一二极管为低导通压降二极管，所述第二二极管为低反向恢复二极管。9.根据权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，所述低压开关器件包括低压的场效应晶体管FET、低压的结型场效应晶体管JFET、或低压的金属氧化物场效应晶体MOSFET。10.根据权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，所述低压的MOSFET为低压的N型MOSFET或低压的P型MOSFET。11.根据权利要求8至10任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述低导通压降二极管包括低导通压降的硅基二极管，所述低反向恢复二极管包括肖特基二极管或低反向恢复的硅基二极管。12.根据权利要求8至10任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述延迟时间Td1的最大时间不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝辉，石磊，傅电波，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44