并联反向导通IGBT和宽带隙开关的切换制造技术

半导体模块（56）包括与宽带隙MOSFET（32）并联连接的反向导通IGBT（10、10'），其中，反向导通IGBT（10、10'）和宽带隙MOSFET（32）中的每个包括内部反并联二极管（30、48）。一种用于利用包括以下步骤的方法来操作半导体模块（56）的方法：确定反向导通开始时间（tS），在所述反向导通开始时间（tS）半导体模块（56）开始在相反方向上导通电流（IR），所述相反方向是内部反并联二极管（30、48）的导通方向；在反向导通开始时间（tS）之后将正栅极信号（VGS）施加到宽带隙MOSFET（32）；基于反向导通开始时间（tS）确定反向导通结束时间（tE），在所述反向导通结束时间（tE）半导体模块（56）结束在相反方向上导通电流（IR）；以及在反向导通结束时间（tE）之前的消隐时间间隔（tb），将减小的栅极信号（VGS）施加到宽带隙MOSFET（32），减小的栅极信号（VGS）适合于将宽带隙MOSFET（32）切换成阻塞状态。

Switching of Parallel Reverse Switching IGBT and Broadband Bandgap Switch

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】并联反向导通IGBT和宽带隙开关的切换
本专利技术涉及宽带隙半导体开关的领域。具体来说，本专利技术涉及用于操作具有此类器件的半导体模块的方法、半导体模块以及半桥。
技术介绍
并联连接Si基半导体开关和宽带隙半导体开关以用于形成混合开关可具有若干优势。例如，相比具有相同电流和/或电压额定值的全宽带隙半导体开关或全硅开关，此类混合开关可具有更好的性能和更低的成本。此外，Si基IGBT或反向导通IGBT与宽带隙电压控制的单极半导体开关（诸如SiCMOSFET）的并联布置可提供更好的热性能、传导性能（即，更低的传导损耗）、切换性能（更低的切换损耗、更高的切换软性（switchingsoftness））和故障性能（诸如改进的浪涌和短路耐受能力）。另外，因为可使用最小数量的宽带隙半导体开关，同时可保持由这些开关提供的性能优势，混合开关组合通常减小成本。对于BIGT（双模式IGBT，即，在一个芯片上与常规IGBT组合的反向导通IGBT），已知所谓的MOS栅极控制技术改进所谓的二极管模式中的半导体开关的性能。二极管模式可被看作下述工作模式：在该工作模式中，反向导通IGBT的内部反并联二极管正在导通，即，电流在相对于IGBT的常规导通方向（即，电流从集电极到发射极流动）的相反方向上（即，电流从发射极到集电极流动）通过反向导通IGBT流动。BIGT被公开在US8212283B2中，该文件应当通过引用被结合以用于BIGT的设计。US2014/184303A1示出具有反并联二极管的MOSFET，其与IGBT并联连接。MOSFET可以是宽带隙器件，并且IGBT可以是反向导通IGBT。利用相同的栅极信号来控制MOSFET开关和IGBT开关两者。US2013/257177A1示出并联连接到IGBT的MOSFET，利用不同的栅极信号来控制该IGBT和该MOSFET。Hoffmann等人的“HighFrequencyPowerSwitch–ImprovedPerformancebyMOSFETsandIGBTsconnectedinparallel”（PowerElectronicsandapplications，2005EuropeanConferenceonDresden,Germany，2005年9月11日至14日；Piscataway，NJ，USA2005年9月11日第1-11页）涉及由MOSFET和IGBT构成的混合开关，其可用不同的方式来切换。
技术实现思路
通常，承载Si基半导体开关和宽带隙半导体开关两者的半导体模块包括栅极驱动器，其生成用于混合开关组合的栅极信号。因此，在MOS栅极控制中，用于Si基半导体开关的栅极信号也被施加到宽带隙半导体开关。然而，宽带隙半导体开关可具有如Si基半导体器件的另一种行为。本专利技术的目的是提供一种在二极管工作模式下具有高切换性能和/或具有低传导损耗的半导体模块。此目的由独立权利要求的主题来实现。从从属权利要求和以下描述，另外的示范性实施例是显而易见的。本专利技术的方面涉及半导体模块以及用于操作半导体模块的方法。半导体模块可以是将半导体芯片与衬底电互连、提供用于电连接芯片的端子和/或机械支撑芯片的任何器件。具体来说，半导体模块包括反向导通IGBT和宽带隙MOSFET，所述反向导通IGBT包括在相反方向上导通电流的内部反并联二极管，所述宽带隙MOSFET也包括内部反并联二极管。将反向导通IGBT和宽带隙MOSFET并联连接。反向导通IGBT和宽带隙MOSFET可以接合到半导体模块的衬底，其也可承载栅极控制器，即栅极驱动器，以用于为反向导通IGBT和宽带隙MOSFET提供栅极信号。反向导通IGBT包括栅极、集电极和发射极。当正栅极信号被施加到栅极时，集电极和发射极之间的电流路径变为导通。由于反向导通IGBT的内部反并联二极管，使得发射极和集电极之间的反向电流路径始终导通。例如，反向导通IGBT是Si基的和/或可以是具有组合在一个芯片中的（常规）IGBT和反向导通IGBT的BIGT。一般来说，宽带隙开关可基于SiC或GaN，在芯片衬底上提供大于2eV的带隙。例如，宽带隙开关可以是具有栅极、漏极和源极的MOSFET。当正栅极信号被施加到栅极时，漏极和源极之间的电流路径变为导通。由于MOSFET的内部反并联体二极管，使得源极和漏极之间的反向电流路径始终导通。宽带隙开关被并联连接到反向导通IGBT和/或被反并联连接到反向导通IGBT的二极管。必须注意，半导体模块可以是功率半导体模块，即，反向导通IGBT和宽带隙MOSFET可适合于处理大于10A的电流和/或高于100V的电压。根据本专利技术的实施例，方法包括以下步骤：确定和/或预测反向导通开始时间，在所述反向导通开始时间半导体模块开始在相反方向上导通电流，所述相反方向是内部反并联二极管的导通方向；在反向导通开始时间之后将正栅极信号施加到宽带隙MOSFET（即，在此期间，利用高于阈值电压的正栅极电压，MOSFET在电压电流图的第三象限中作为整流器工作）；基于反向导通开始时间确定和/或预测反向导通结束时间，在所述反向导通结束时间半导体模块结束在相反方向上导通电流；以及在反向导通结束时间之前的消隐时间间隔，将减小的栅极信号施加到宽带隙MOSFET，减小的栅极信号适合于将宽带隙MOSFET切换成阻塞状态。在可从反向导通开始时间直接或间接地确定反向导通结束时间的这种意义上，反向导通结束时间是基于反向导通开始时间。例如，可基于半导体模块的反向导通开始时间和当前切换频率来确定反向导通结束时间。这可以通过向反向导通开始时间添加与切换频率相关的偏移来进行。一般来说，可基于半导体模块的反向导通开始时间以及可选地另外的参数来预测反向导通结束时间。基本上，已经发现，诸如SiC基或GaN基MOSFET的宽带隙MOSFET显示出与Si基反向导通IGBT相反的行为。即，当栅极电压变得更高时，在二极管模式中源极和漏极之间的电压降变得更小。以这种方式，为了进一步减小二极管模式中的传导损耗，宽带隙MOSFET应当与反向导通IGBT以不同方式来切换，和/或具体来说，当宽带隙MOSFET处于二极管模式时，更高的栅极电压应当被施加到宽带隙MOSFET。当电流通过反向导通IGBT的内部反并联二极管和/或宽带隙MOSFET的内部反并联二极管流动时，半导体模块的二极管模式的开始时间（即，反向导通开始时间）和结束时间（即，反向导通结束时间）可由栅极控制器和/或外部控制器来确定，例如，所述栅极控制器和/或外部控制器还为半导体模块提供切换信号，栅极控制器依据所述切换信号生成栅极信号。作为另外的示例，开始时间和结束时间的确定可基于跨模块的电流的测量。通过将这些测量推测到未来，可确定电流的未来的零交叉点（zerocrossing）。此外，可由控制器确定通过半导体模块的电流，所述控制器生成切换信号，所述控制器也可能必须预测通过半导体模块的未来电流。控制器还可从与并联连接的反向导通IGBT和宽带隙MOSFET互连的另外的半导体开关的切换时间来确定反向导通开始时间。此切换时间可以是在开通另外的半导体开关时的时间。反向导通结束时间可由控制器从通过添加偏移的反向导通开始时间来确定，所述偏移可取决于切换频率。一般来说，当通过半导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于操作半导体模块（56）的方法，所述半导体模块（56）具有与宽带隙MOSFET（32）并联连接的反向导通IGBT（10、10'），其中，所述反向导通IGBT（10、10'）和所述宽带隙MOSFET（32）中的每个包括内部反并联二极管（30、48），所述方法包括以下步骤：确定反向导通开始时间（tS），在所述反向导通开始时间（tS）所述半导体模块（56）开始在相反方向上导通电流（IR），所述相反方向是所述内部反并联二极管（30、48）的导通方向；在所述反向导通开始时间（tS）之后将正栅极信号（VGS）施加到所述宽带隙MOSFET（32）；基于所述反向导通开始时间（tS）确定反向导通结束时间（tE），在所述反向导通结束时间（tE）所述半导体模块（56）结束在所述相反方向上导通电流（IR）；在所述反向导通结束时间（tE）之前的消隐时间间隔（tb），将减小的栅极信号（VGS）施加到所述宽带隙MOSFET（32），所述减小的栅极信号（VGS）适合于将所述宽带隙MOSFET（32）切换成阻塞状态。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.14 EP 16198704.51.一种用于操作半导体模块（56）的方法，所述半导体模块（56）具有与宽带隙MOSFET（32）并联连接的反向导通IGBT（10、10'），其中，所述反向导通IGBT（10、10'）和所述宽带隙MOSFET（32）中的每个包括内部反并联二极管（30、48），所述方法包括以下步骤：确定反向导通开始时间（tS），在所述反向导通开始时间（tS）所述半导体模块（56）开始在相反方向上导通电流（IR），所述相反方向是所述内部反并联二极管（30、48）的导通方向；在所述反向导通开始时间（tS）之后将正栅极信号（VGS）施加到所述宽带隙MOSFET（32）；基于所述反向导通开始时间（tS）确定反向导通结束时间（tE），在所述反向导通结束时间（tE）所述半导体模块（56）结束在所述相反方向上导通电流（IR）；在所述反向导通结束时间（tE）之前的消隐时间间隔（tb），将减小的栅极信号（VGS）施加到所述宽带隙MOSFET（32），所述减小的栅极信号（VGS）适合于将所述宽带隙MOSFET（32）切换成阻塞状态。2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述反向导通开始时间（tS）之后的消隐时间间隔（tb），将所述正栅极信号（VGS）施加到所述宽带隙MOSFET（32）。3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在所述反向导通开始时间（tS）和所述反向导通结束时间（tE）之间保持用于所述反向导通IGBT（10、10'）的减小的栅极信号（VGE），所述减小的栅极信号（VGE）适合于将所述反向导通IGBT（10、10'）切换成阻塞状态。4.如权利要求1或2所述的方法，还包括：在所述反向导通结束时间（tE）之前的所述消隐时间间隔（tb）前的提取时间间隔（te），将正栅极信号（VGE）施加到所述反向导通IGBT（10、10'）；在所述反向导通结束时间（tE）之前的所述消隐时间间隔（tb），将减小的栅极信号（VGE）施加到所述反向导通IGBT（10、10'）。5.如前述权利要求其中之一所述的方法，其中，所述消隐时间间隔（tb）低于14μs。6.如前述权利要求其中之一所述的方法，其中，所述提取时间间隔（te）在10μs和90μs之间。...

【专利技术属性】
技术研发人员：U韦姆拉帕蒂，U施拉普巴赫，M拉希莫，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH