用于烯烃聚合的聚合物载体化催化剂制造技术

本发明专利技术的目的在于提高电流密度的稳定性，阻止电流集中和振荡，以实现可靠性的提高。本发明专利技术通过在关断时，在主电流移动至下降时间之前，将控制电极的电压下降至半导体元件的阈值电压Ｖｔｈ以下，提供在主电极间的电压上升前停止电子注入，可以提高电流密度的稳定性，阻止电流集中和振荡等来提高可靠性的半导体元件、及其驱动方法和驱动装置。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于大功率控制的半导体元件、及其驱动方法和驱动装置。目前，作为功率控制用的半导体元件，IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)和IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)十分引人注目。这些IGBT和IEGT是有MOS结构的双极元件，具有功率MOSFET的高速开关特性和双极晶体管的高耐压和高导通特性。因此，可适用于逆变器等功率转换器件。下面，以IGBT为例进行说明。附图说明图100是表示一般逆变器结构的电路图，上侧的IGBT1和下侧的IGBT2分别有回流二极管D1、D2和栅极电阻RG1、RG2，并与电源电压Vcc串联连接。此时，如果注意下侧的IGBT2，那么在该IGBT2中，正负15V的门(gate)信号由图中未示出的栅极驱动电路经栅极电阻RG2传送，从而对应于该门信号在IGBT2中流动的集电极电流Ic导通(on)或断路(off)。例如，在IGBT2的栅极G上，如果施加正的门信号，那么使集电极电流Ic流动，于是成为导通状态，而如果施加负的门信号，那么使集电极电流Ic断路，于是成为截止状态。其中，门信号从负变为正时，叫做IGBT2导通，IGBT2从截止状态转变为导通状态，使集电极电流Ic流动。另一方面，在门信号从正变为负时，叫做关断，IGBT2从导通状态转变为截止状态，使集电极电流Ic断路。图101是表示IGBT关断波形例的波形图，图102是为说明关断动作的IGBT结构的剖面图。如图102所示，该IGBT在低浓度的n型基层1的一个表面上形成高浓度的p型发射区层2，并在p型发射区层2上形成集电极3。另一方面，在n型基层1的另一表面上有选择地形成p型基层4，在p型基层表面4上形成高浓度的n型源区层5。此外，在n型源区层5和n型基层1之间的p型基层4上，通过栅极氧化膜6形成栅极7。而且，在n型源区层5和p型基层4上形成发射极8。在这种IGBT中，如果由栅极驱动电路提供的门信号从+15V变为-15V，那么如图101所示，经RG与栅极驱动电路连接的IGBT2的栅极电压VG首先下降至某个值(时刻t1)，在短暂期间，按该值固定(时刻t2)。再有，本说明书中，将这种VG固定的期间(时刻t1～t2)称为MOSFET模式的密勒(Miller)时间。MOSFET模式的密勒时间期间，集电极电压VCE约上升至15V。然后，在IGBT内，有高电场的耗尽层从栅极氧化膜6下和p型基层4下向n型基层1中开始发展，集电极电压VCE急剧上升(时刻t2～)。同时，栅极电压VG开始缓慢下降，但是仍以比IGBT的阈值电压Vth高的值推移。如果集电极电压通过二极管被箝位，那么集电极电流Ic因换流于二极管(图100中的D1)中而被断路，同时栅极电流也开始急剧下降(时刻t3)，于是栅极电压VG下降至阈值电压Vth以下(时刻t3～)。再有，本说明书中，将MOSFET模式的密勒时间后，栅极电压VG从开始下降至降到IGBT的阈值电压Vth的期间(时刻t2～t3)称为IGBT模式的密勒时间。这种开关方法正广泛用于目前使用的所有IGBT中。这种开关方法除栅极驱动电路的驱动力小的方面外，还具有利用栅极电阻RG可以控制开关等优点。特别是，在低耐压小容量IGBT中被最简单地广泛使用。特别是在以往，为了使IGBT等元件可安全地工作，一般依靠将Rg设定得很大的方法，在目前所有的元件应用中都采用该方法。但是，通过专利技术者们的研究，发现这种开关方法在开关时的稳定性上存在很大的问题。图102除了表示IGBT结构，还表示在IGBT模式的密勒时间中元件内部的载流子状况。其中，由于栅极电压VG比阈值电压Vth高，所以一方面导致电子的注入(图中e-)，此外从集电区侧流入空穴(图中h+)。因此，在高电场层(耗尽层)内空穴和电子共存。这种空穴和电子的共存导致不稳定性。再有，图102中的虚线表示在虚线上侧的n型基层1中为高电场，而虚线下侧的n型基层1中残留累积的载流子。例如，使用n型基层1的施主浓度ND，高电场中的空穴密度p和高电场中的电子密度n，则可用下式(1)表示高电场中的空间电荷密度ρ。ρ=q(ND+p-n) …(1)这里，在IGBT上施加的电压变为用硅的介电常数εSi除该空间电荷密度ρ的高电场层中的积分值。另一方面，使用高电场中的电子电流密度Jn、高电场中的空穴电流密度Jp及载流子的饱和速度vs(约107cm/s)，则可按下式(2)表示电流密度J。J=Jn+Jp=q·vs(p+n)…(2)其中，应该注意，由于空穴和电子具有相反的电荷极性，所以如式(1)那样，空间电荷密度ρ相互抵消(p-n)，而由于空穴和电子带有相同的单元电荷，所以如式(2)那样，高电场中电流密度J可用空穴密度和电子密度之和(p+n)来表示。这表示元件内部的电场分布即使在集电极电压VCE等条件下达到一定的值，但电流密度并不一对一地决定，具有很大的自由度。就是说，存在电流密度不固定化的问题。而且，如果由于集电极电压VCE和集电极电流IC，在栅极发生正反馈，那么电子密度改变，电流密度J的不稳定性增大，因而存在发生电流集中，元件被击穿的问题(参考文献1:I.Omura et al.“Negativegate capacitance and related instability effect”IEEE Electron DeviceLetters Vol.18No.12,pp.622-624,1997.参考文献2:I.Omura et al.IGBT instability due to negative gate capacitance“Proc of 7thEuropean Conference of Power Electronics and Applications Vol.2pp2.066-069,Sept.1997.)。下面，说明随着IGBT的大容量化的推进，在一个IGBT的电流容量和耐压被增加的情况下的各种各样的问题。近年来，由于IGBT的电流容量增加，所以在一个IGBT的封装(元件单体)中并联连接多个IGBT芯片。例如，在1700V、400A的IGBT中，在封装内并联连接4～6个芯片，而在2000V、400A的IGBT中，并列6个左右的芯片。在3.3Kv、1200A的IGBT中，在封装内并联连接20～24个芯片。各芯片的大小一般为7～15毫米见方左右，如果并列这么多个芯片，那么封装的尺寸会变大。这里，图103是表示两个芯片或元件的IGBT1、2并联连接结构的电路图。各IGBT1、2的各栅极G1、G2通过相目应的栅极电阻RG1、RG2被集中为一个，通过适当的且图中未示出的电阻与栅极驱动电路连接。图104表示这种电路关断时的波形。两个IGBT1、2的栅极电压VG1、VG2之差在IGBT模式的密勒时间中扩大的结果，会使集电极电流Ic1、Ic2在两个IGBT1、2中相差很大，从而变得不均匀。如果一个IGBT可关断加倍的电流，那么这种IGBT1、2之间的电流不均匀就没有问题，但如果并联连接更多芯片，那么由于在一个IGBT中开关时存在流过导通时的10倍电流的可能性，所以成为元件击穿的原因。再有，图105模拟地表示I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型的双极半导体元件，其特征在于， 该驱动方法包括在关断所述双极半导体元件时，在所述主电极间流动的主电流移动至下降时间之前，使所述控制电极的电压下降至所述双极半导体元件的阈值电压Ｖｔｈ以下的工序。

【技术特征摘要】
US 1998-3-27 60/079,5631．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型的双极半导体元件，其特征在于，该驱动方法包括在关断所述双极半导体元件时，在所述主电极间流动的主电流移动至下降时间之前，使所述控制电极的电压下降至所述双极半导体元件的阈值电压Vth以下的工序。2．根据权利要求1所述的双极半导体元件的驱动方法，其特征在于，在所述下降工序中，所述主电流移动至下降时间之前，结束所述控制电极的电压波形中出现的密勒时间。3．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型双极半导体元件，其特征在于，该驱动方法包括在关断所述双极半导体元件时，在所述主电极间进入过冲区域之前，使所述控制电极的电压下降至所述双极半导体元件的阈值电压Vth以下的工序。4．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型双极半导体元件，其特征在于，在所述主电极间的电压上升至截止状态下施加电压Vcc的1/10以上之前，使所述控制电极的电压下降至所述双极半导体元件的阈值电压Vth以下的工序。5．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型双极半导体元件，其特征在于，该驱动方法包括在关断所述双极半导体元件时，在所述主电极间的电压上升至截止状态下所加电压Vcc的1/10以上之前，结束所述控制电极的电压波形中出现的密勒时间的工序。6．一种双极半导体元件的驱动装置，该驱动装置用于驱动带有高压侧主电极、低压侧主电极和绝缘栅型的控制电极，并相互并联连接的多个双极半导体元件，其特征在于，该驱动装置包括栅极驱动电路，对于分别包括一个以上所述双极半导体元件的多个元件组，该栅极驱动电路有与设置在每个所述元件组中的给所有所述元件组的双极半导体元件的控制电极提供驱动信号的所述元件组相同的数量。7．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型双极半导体元件，其特征在于，该方法包括在关断所述双极半导体元件时，控制所述控制电极中流动的电流最大值，以便经常超过所述主电极间流动的主电流的0.04倍的工序。8．一种双极半导体元件的驱动装置，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极的绝缘栅型的双极半导体元件，其特征在于，该器件包括对所述控制电极提供驱动信号的栅极驱动电路，和设置在所述控制电极和所述栅极驱动电路之间，在导通状态的栅极电压与截止状态的栅极电压电压差为Vgpp，导通状态下所述主电极间流动的主电流为Ic时，有Vgpp/0.04/Ic以下电阻值的栅极电阻。9．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极，所述主电极间的耐压为Vbk的绝缘栅型双极半导体元件，其特征在于，该方法包括在关断所述双极半导体元件时，控制所述控制电极中流动的电流最大值，以便使其总是超过所述主电极间流动的主电流的(Vbk/316)-2倍的工序。10．一种双极半导体元件的驱动装置，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极，所述主电极间耐压为Vbk的绝缘栅型的双极半导体元件，其特征在于，该驱动装置包括给所述控制电极提供驱动信号的栅极驱动电路，和设置在所述控制电极和所述栅极驱动电路之间，在导通状态的栅极电压与截止状态的栅极电压电压差为Vgpp，导通状态下所述主电极间流动的主电流为Ic时，有Vgpp/(Vbk/316)-2/Ic以下的电阻值的栅极电阻。11．一种双极半导体元件的驱动方法，该双极半导体元件是带有高压侧主电极、低压侧主电极和控制电极，互导为gm，阈值电压为Vth的绝缘栅型双极半导体元件，其特征在于，该驱动方法包括在使所述双极半导体元件导通，以便所述主电极间流动主电流Ic时，在所述主电极间的电压下降至1/2以前，将所述控制电极的电压上升至(Vth+Ic/g...

【专利技术属性】
技术研发人员：JF小沃尔泽，AJ迪阿斯，JMJ福莱彻特，SB洛斯克，
申请(专利权)人：埃克森美孚化学专利公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]