并联连接的半导体部件的电流平衡制造技术

本发明专利技术公开了一种平衡并联连接的功率半导体部件的开关瞬态行为的方法和设备。该方法包括以下步骤：向并联连接的功率半导体部件(Xi)提供开关信号以用于改变部件的状态；从开关信号形成用于每个并联连接的部件的控制信号；在功率半导体部件的状态变化期间，确定在每个并联连接的部件中在所述部件的主电流路径中的电感上感应的电压；将每个感应电压与预定的阈值电压相比较；测量感应电压越过阈值电压的时刻的时间差；以及根据测得的时间差在相应的后续状态变化中修改一个或多个控制信号以用于平衡开关瞬态行为。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及并联连接的半导体部件的电流的平衡，特别涉及在动态情况中平衡电流。
技术介绍
对半导体器件的大额定功率和物理上受限的最大电流密度的不断提高的要求是半导体并联连接对于高功率应用有吸引力的原因。诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)的功率半导体部件的并联连接是用于高功率转换器的广泛传播的方案。在IGBT的并联操作中，每个并联连接的部件接收开关信号。开关信号例如可以从用于确定发生开关动作的适当时序的调制器发出。开关信号被分成用于控制每一个并联连接部件的控制信号。因此，意图是同时操作开关，以使得总电流会在部件之间等分。然而，IGBT并联连接的主要问题是并联部件的电流不平衡。电流不平衡可以发生在接通状态(静态操作)期间和/或开关瞬态(动态操作)期间。在静态操作中，电流不平衡导致例如部件之间的不同温度，这引起部件不同程度和过早地老化。动态操作中的不平衡指的是在状态变化期间，即在关断时和接通时的转接期间的部件的不同行为。并联连接部件的同时操作是所期望的，以使得不同电流路径中的电流变化的幅值相等。电流变化在电流路径的电感中引起大电压尖峰。并联支路中具有相似的电流行为是所期望的，以使得感应电压也具有相似的波形。例如，对于接通，当最快部件占有意在用于并联操作的电流的大部分时，转接的延迟也可以引起在转接期间超过额定电流的情况。已试图通过依照某些器件参数(例如栅极发射极阈值电压、开关时间、接通状态电压，等等)选择并联的部件来实现并联连接的功率半导体之间的动态电流平衡。此方法需要由部件制造者或由目标用户执行的附加的人工劳动，自然会导致附加的成本。如文献、、和所建议的，解决动态电流不平衡问题的另一措施是使用电流平衡网络。然而，电流平衡网络给电子系统增加了成本、体积、重量以及损耗。还可以通过人工设置驱动半导体部件的栅极单元的参数来实现动态电流平衡。该可设置的参数例如可以是栅极电阻艮。此过程也需要人工测量且可能花很长时间。如文献W]、和所建议的，另一种可能是用栅极单元控制电流率。此方案给系统带来复杂性和成本，连同由于状态变化被延长而产生的更高的开关损耗。文献教导通过适当的机械布置和设计以关于杂散电感的对称方式实现转换器。这样的布置和设计导致了额外的材料、开发和制造成本。此外，此类设计导致使得器件的维修复杂且困难的物理结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种方法以及用于实施该方法的设备以便解决以上问题。通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法和设备来实现本专利技术的目的。在从属权利要求中公开了本专利技术的优选实施例。本专利技术基于如下思想测量并联功率半导体部件的电流上升或下降的开始时间和结束时间或两个时间的时间差，并在各自的后续状态变化时补偿该时间差。该时间差从感应到电流路径中的电感上的电压测量。感应电压与电流的导数即电流的变化率成比例。感应电压的测量比电流的测量简单得多且便宜得多。此外，作为电流的导数的感应电压比电流本身变化得更快，从而非常适合用于产生时序信息。使用电子电路来补偿观测到的并联部件之间的时间差。因此，本专利技术通过不需要昂贵的和/或大体积的附加部件的简单措施来限制在开关瞬态期间并联部件的电流不平本专利技术的实现是具有最小额外损耗的低成本结构。此外，该结构具有轻重量和小体积。该结构也节省了在工业转换器的开发、制造和维修期间的劳动力成本。本专利技术能够获得并联器件的电流平衡而与部件类型无关。例如，相同的结构可以用于平衡IGBT、M0SFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)和IGCT (集成栅极换流晶闸管) 部件的电流。本专利技术也不需要部件的驱动器。此外，通过分析电流变化率的时间间隔对栅极信号的时序进行调整能够获得由于若干原因的并联器件电流的平衡，这些原因例如由于不同的半导体特性引起的不平衡，诸如veE的变化、开关时间和栅极单元的差(例如，栅极单元的延迟时间、栅极电阻的差，等等)、以及杂散电感的差等等。因此，本专利技术校正并联部件之间的时序差，而不论该差的起源是什么。即使不平衡是由于开关部件的参数漂移引起的，本专利技术也对其进行校正。可以将电流变化率的时间间隔的检测另外用于短路保护，且如果杂散电感(测量的杂散电感)之间的关系是已知的且静态的，那么该测量为静态平衡增加了有用信息。因此，可以避免为栅极单元上的短路检测而作的额外努力。附图说明下面，将参照附图借助于优选实施例对本专利技术进行更详细的描述，其中图1示出了带有其变量的定义的IGBT部件；图2示出了本专利技术的实施例的框图；图3示出了本专利技术的实施例的更详细的框图；图4示出了与本专利技术的实施例的操作相关的测量；图5示出了本专利技术的功能的框图；图6示出了本专利技术的操作的时序图；以及图7和图8示出了在部件接通和关断时本专利技术的操作的测量结果。 具体实施例方式图1示出了带有在全文中使用的相关联的符号和定义的IGBT部件的图形符号。该 IGBT部件表示为Xi，且其包括集电极C端子、栅极G端子和发射极E端子。此外，该部件具有辅助发射极AE，该辅助发射极AE连接到与发射极E同一电位且意在连接到驱动电路或栅极单元，以使得可以在栅极和发射极端子之间引导适当的电压用于控制该部件。图1中另外的定义是集电极电流ie,Xi，栅极到发射极电压veE,Xi和集电极到发射极电压vCE,Xi。Lb。nd,Xi是部件的开关路径的杂散电感，而Vb。nd,Xi是该杂散电感上的电压。在该方法的实施例中，向并联连接的半导体部件提供开关信号用于改变部件状态。开关信号由实施该方法的器件的控制系统触发。控制系统例如可以是输出用于初始化受控部件的状态改变的信号的调制器或类似的操作结构。状态改变指的是从导通状态到阻断状态或从阻断状态到导通状态的改变。开关信号导向栅极电路或栅极单元以用于实现实际的栅极控制。每个并联连接的开关部件具有其专用的栅极单元，且这些栅极单元形成用于控制并联连接的部件的控制信号。栅极单元通常是具有用于向部件的栅极提供所要求的控制电压的所有必要电路的栅极驱动器。在本专利技术中，确定与IGBT串联连接到开关路径的电感的电压，以观察并联IGBT的集电极或发射极电流的变化。使用的电感例如可以是IGBT模块或部件的内部杂散电感。电流变化例如是电流上升或下降的开始、持续或结束，或是电流斜率的符号。比较并估算测得的电压，提取IGBT集电极或发射极电流的时序信息。此信息允许控制或补偿系统为下一开关瞬态计算适应的延迟时间以达到某些特定目标，例如动态电流平衡。计算出的延迟时间用于通过修改控制信号来修改接下来各个开关的时序。该修改可以通过修改到栅极单元的开关信号Vcm, Xi或者通过修改由栅极单元生成的栅极到发射极电压^^^来实现。因此，可以认为控制信号是从栅极单元之前或之后的开关信号(即， 到达栅极单元的信号或离开栅极单元的信号)分离出来的信号。图2给出了简化框图。该图采用η个并联连接的IGBT，其中，Xi代表第i个并联的IGBT(i = 1 n)。vb。nd,Xi是IGBT模块中或开关路径中的杂散电感Lb。nd,Xi上的电压。块 21接收来自并联IGBT的电压信号并输出电压阵列v_s，该电压阵列Vnreas带有关于从信号 Vbond,Xi提取的上升或下降的IGBT发射极或集电极电流的时间差的信息。用于下一开关瞬态的新计算得到的延迟值在模块22中计算，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种平衡并联连接的功率半导体部件的开关瞬态行为的方法，其特征在于以下步骤：向所述并联连接的功率半导体部件（Ｘｉ）提供开关信号（ｓ）以用于改变所述部件的状态；从所述开关信号形成用于每个所述并联连接的功率半导体部件的控制信号；在所述功率半导体部件的状态变化期间，确定在每个所述并联连接的功率半导体部件中在所述部件的主电流路径中的电感上感应的电压；将每个所述感应电压与预定的阈值电压相比较；测量所述感应电压越过所述阈值电压的时刻之间的时间差；以及根据测得的时间差，在相应的后续状态变化中修改一个或多个所述控制信号，以用于平衡所述开关瞬态行为。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗德里戈·阿隆索·阿尔瓦雷斯瓦伦祖埃拉，卡斯滕·芬克，斯特芬·贝尔内特，安东尼奥·科恰，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：CH