功率半导体器件及其缓冲电路制造技术

本发明专利技术公开了一种用于电开关的缓冲电路，包括：静态缓冲单元，其并联于所述电开关，用于当所述电开关处于导通或关断的状态下以平衡所述电开关之两端的电压的静态均压；以及动态缓冲单元，用于当所述电开关处于导通或关断的过程中以平衡所述电开关之两端的动态均压。所述动态缓冲单元包括：动态均压电容器，其并联于所述电开关且所述动态均压电容器的电容与电压存在关系；和控制器，用于将所述动态均压电容器的电容控制在既定的工作区域，所述电容的既定的工作区域为所述电容将随着所述电开关之两端的电压的增加而上升。本发明专利技术还公开了一种功率半导体器件。

Power semiconductor device and its buffer circuit

A buffer circuit for an electric switch is disclosed, including a static buffer unit, which is paralleled to the electric switch for static voltage sharing to balance the voltages at both ends of the switch when the switch is on or off, and a dynamic buffer unit, which is used when the switch is on. In the process of shutdown, the dynamic balancing of the two ends of the electric switch is balanced. The dynamic buffer unit comprises: a dynamic equalizing capacitor which is parallel to the electric switch and whose capacitance is related to voltage; and a controller for controlling the capacitance of the dynamic equalizing capacitor in a predetermined working area, where the capacitance will follow the capacitance. The voltage increases at the two ends of the electric switch. The invention also discloses a power semiconductor device.

【技术实现步骤摘要】
功率半导体器件及其缓冲电路
本专利技术涉及一种功率半导体器件及其缓冲电路，具体地，涉及一种可提供相串联的电开关之电压平衡的功率半导体器件及其缓冲电路。
技术介绍
在高压应用中，使用低电压装置而非高电压装置的串行化器件是低成本的良好解决方案。然而，使得串行化器件中的每一电开关达到电压平衡是个大问题。串行化器件中的阻断电压的不平衡会引起其中的一些电开关相对于其余电开关承受较高的阻断电压，从而大大增加了器件故障率。电压的不平衡主要是由门驱动信号的传播延迟失配以及各相串联的电开关之性能差异所引起的。这些因素也可能随着器件的制造工艺、温度变化、老化程度等不同而有所变化。为了弱化这些因素带来的影响，现有的缓冲电路中通常使用一电容器，用于降低各串联电开关两端之电压，从而实现串联化器件的电压平衡。然而，当施加到该电容器的电压增加时，其电容值将大大地降低，以至于该电容器必须具有高击穿电压的结构，例如：与一额外的具有固定大电容的电容器相组合，这样的结构将增加整个器件的尺寸且耗费较高的成本。由此，期望提供新的和改进的功率半导体器件及其缓冲电路，以较低的成本和更为简单的结构，来实现串行化的功率半导体器件的电压平衡。
技术实现思路
根据本专利技术的一方面，提供了一种用于电开关的缓冲电路，所述缓冲电路包括：静态缓冲单元，其并联于所述电开关，用于当所述电开关处于导通或关断的状态下以平衡所述电开关之两端的电压的静态均压；以及动态缓冲单元，用于当所述电开关处于导通或关断的过程中以平衡所述电开关之两端的动态均压。所述动态缓冲单元包括：动态均压电容器，其并联于所述电开关且所述动态均压电容器的电容与电压存在关系；和控制器，用于将所述动态均压电容器的电容控制在既定的工作区域，所述电容的既定的工作区域为所述电容将随着所述电开关之两端的电压的增加而上升。根据本专利技术的另一方面，提供了一种功率半导体器件，其包括：至少两个相串联的电开关；以及包括前述的用于各电开关的缓冲电路。附图说明参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本专利技术的特征、方面及优点，其中：图1是根据本专利技术之具体实施方式的电开关模块的示意图；图2是根据本专利技术之具体实施方式的功率半导体器件的示意图；以及图3是根据本专利技术之具体实施方式的动态均压电容器之电容与其两端电压之间的关系示意图。具体实施方式为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本专利技术所要求保护的主题，下面结合附图详细表述本专利技术的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或者构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本专利技术的披露。除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。请参阅图1，图1示出了本专利技术一具体实施方式的电开关模块10的电路示意图。电开关模块10可以包括电开关103。电开关103包括但不限于：绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistors，IGBT)、集成门极换向晶闸管(IntegratedGateCommutatedThyristor，IGCT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistors，MOSFET)、电子注入增强栅晶体管(InjectionEnhancedGateTransistors，IEGT)、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiCMOSFET)或其他可以在导通和关断状态下切换的可控电开关。在本实施例中，缓冲电路包括为电开关103提供了静态与动态平衡。缓冲电路位于需要保护的电开关103的两端。在本实施例中，缓冲电路包括并联于电开关103的静态缓冲单元11。在一些实施方式中，静态缓冲单元11包括至少一个静态均压电容器101，用于提供电开关103两端电压的静态平衡。静态缓冲单元11中的静态均压电容器101相对于电开关103具有较小的电阻。当电开关103处于关断状态时，电开关103两端电压将由静态缓冲单元11所分担，即静态缓冲单元11将调节电开关103两端的电压从而实现静态电压平衡。在本实施例中，缓冲电路还包括动态缓冲单元12。动态缓冲单元12包括并联于电开关103的动态均压电容器102。动态缓冲单元12还包括一控制器(未示出)。该控制器控制动态均压电容器102的电容工作于一既定的工作区域内，即所述电容将随着所述电开关之两端的电压的增加而上升。如图3所示，其示出了动态均压电容器102的电容与其两端电压在-25℃至125℃之较宽温度范围内的特定关系。当电压自0V起上升，电容器102的电容随之增加。然而，当电压升至特定值，如：温度为25℃，电压升至400V，电容器102的电容将随着电压的持续上升而减小。此时，电容器102之电容的既定的工作区域将从一低电压到对应于最大电容的电压，以确保电容器102之电容呈现出随着电压的上升而增加的性能。在一些实施方式中，动态均压电容器102之电容被控制在0nF至100nF的区域。控制器可以是任何类型的可编程设备，诸如微控制器、微控制单元(MCU)、数字信号处理器(DSP)等。在一些实施例中，控制器包括接收器(未示出)、计算器(未示出)和调节器(未示出)。接收器用于接收电开关103两端的电压。计算器用于根据动态均压电容器之电容与其两端电压的关系，基于所接收的电开关103两端的电压确定动态均压电容器之电容。态均压电容器之电容与其两端电压的关系可以预先保存于控制器中。调节器用于当所确定的动态均压电容器的电容超出其既定的工作区域时，以调节被传送至所述电开关的门驱动信号使得所述动态均压电容器的电容工作于所述既定的工作区域。例如，当电开关103两端的电压在温度为25℃下达到约450V时，动态均压电容器102的电容将下降至90％的值，而不是高于100％的值，此时，便无法为电开关103分担足够的电压。在这样的情况下，调节器将延迟提供给电开关103的门驱动信号，使得电开关103两端的电压下降至400V以下。电容器102之电容便可在工作于随电压上升而增加的既定工区域内了。在开通与关断的过程中，位于电开关103两端的动态均压电容器102具有高电压应力而呈现出高电容。这使得具有高电压应力的电开关103的总阻抗变小，电开关103两端的电压便由动态均压电容器102所分担。由此，便可在开通与关断的过程中自动地减小电压应力以实现动态电压平衡。在本实施例中，动态缓冲单元12还可以包括阻尼电阻器104。阻尼电阻器104串联于动态均压电容器102，用于抑制电开关的电流振荡。为示意性目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于电开关的缓冲电路，包括：静态缓冲单元，其并联于所述电开关，用于当所述电开关处于导通或关断的状态下以平衡所述电开关之两端的电压的静态均压；以及动态缓冲单元，用于当所述电开关处于导通或关断的过程中以平衡所述电开关之两端的动态均压，所述动态缓冲单元包括：动态均压电容器，其并联于所述电开关且所述动态均压电容器的电容与电压之间存在关系；和控制器，用于将所述动态均压电容器的电容控制在既定的工作区域，所述电容的既定的工作区域为所述电容将随着所述电开关之两端的电压的增加而上升。

【技术特征摘要】
1.一种用于电开关的缓冲电路，包括：静态缓冲单元，其并联于所述电开关，用于当所述电开关处于导通或关断的状态下以平衡所述电开关之两端的电压的静态均压；以及动态缓冲单元，用于当所述电开关处于导通或关断的过程中以平衡所述电开关之两端的动态均压，所述动态缓冲单元包括：动态均压电容器，其并联于所述电开关且所述动态均压电容器的电容与电压之间存在关系；和控制器，用于将所述动态均压电容器的电容控制在既定的工作区域，所述电容的既定的工作区域为所述电容将随着所述电开关之两端的电压的增加而上升。2.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，所述动态均压电容器被控制在0nF至100nF的范围内工作。3.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，所述控制器包括：接收器，用于接收所述电开关之两端的电压；计算器，用于根据动态均压电容器的电容与电压之间的关系，基于所接收的所述电开关之两端的电压，以确定所述动态均压电容器的电容；以及调节器，用于当所确定的动态均压电容器的电容超出其既定的工作区域时，以调节被传送至所述电开关的门驱动信号使得所述动态均压电容器的电容工作于所述既定的工作区域。4.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，所述动态缓冲电路还包括：阻尼电阻器，其串联于所述动态均压电容器，用于抑制所述电开关的电流振荡。5.根据权利要求1所述的缓冲电路，其特征在于，所述静态缓冲电路包括至少一个静态均压电阻器。6.一种功率半导体器件，包括：至少两个相串联的电开关；以及至少两个缓冲电路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛赛君，斯蒂芬·施罗德，史经奎，徐贺，马吕斯·梅希林斯基，瞿博，苑志辉，张颖奇，沈捷，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US