專利名稱：具有電壓驅(qū)動開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有例如MOS-FET、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、IEGT(注入增強柵晶體管)作為電壓驅(qū)動開關(guān)元件的MOS柵結(jié)構(gòu)的絕緣柵半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換器。
可獲得電壓驅(qū)動開關(guān)元件作為功率轉(zhuǎn)換器中使用的開關(guān)元件，例如驅(qū)動感應(yīng)電動機將直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率的倒相器而不是諸如晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(GTO)或晶體管的電流驅(qū)動開關(guān)元件。作為電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一般示例有MOS柵結(jié)構(gòu)的絕緣柵半導(dǎo)體器件，例如MOS-FET、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、IEGT(注入增強柵晶體管)。


圖1表示常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器中的IGBT的選通驅(qū)動電路。在圖1中，如果開關(guān)指令Vin將IGBT7設(shè)置在導(dǎo)電狀態(tài)(通)或非導(dǎo)電狀態(tài)(斷)中，則對應(yīng)開關(guān)指令Vin的柵電壓Vge通過晶體管3、4和柵電阻6加在IGBT7的柵極與發(fā)射極之間，從而在IGBT7中執(zhí)行諸如接通或關(guān)斷的開關(guān)操作。即，如果正開關(guān)指令Vin從未在圖2中示出的選通控制電路中輸入，晶體管3處于導(dǎo)通狀態(tài)，而晶體管4處于關(guān)斷狀態(tài)，輸出電壓Vg變?yōu)檎妷海⑶彝ㄟ^柵電阻6給出的柵電壓Vge偏置至正側(cè)以便接通IGBT7。如果開關(guān)指令Vin為負，則晶體管3處于關(guān)斷狀態(tài)，晶體管4處于導(dǎo)通狀態(tài)，柵電壓Vg變?yōu)樨撾妷?，并且柵電壓偏置至負?cè)以關(guān)斷IGBT7。
用于正偏置的柵電源(電壓Ep)1和用于負偏置的柵電源(電壓En)2通過限流電阻5分別連到晶體管3、4。在這種情況中，限流電阻5連在柵電源2與晶體管4之間或連到它們二者。
IGBT在如圖3所示的柵極、發(fā)射極與集電極中間具有等效電容Cge8、Ccg9、Cce10等。因此，在高頻條件下集電極與發(fā)射極之間產(chǎn)生短路，Ccg+Cge表示IGBT的柵極與發(fā)射極之間的輸入電容Cies。因此，為了使IGBT進行開關(guān)操作，要求通過柵電阻6對輸入電容Cies進行充放電。
在圖1所示的常規(guī)選通驅(qū)動電路中，在由柵電阻6與輸入電容Cies確定的時間常數(shù)(R6·Cies)中產(chǎn)生延遲，這有時引起IGBT開關(guān)操作中的故障。
為了使時間常數(shù)中這樣的延遲更少，考慮使柵電阻值更小或使給出負偏置的柵電源2的電壓En變得更高。
然而，在使柵電阻6的值更小時，IGBT7的關(guān)斷速率變大和浪涌電壓變高，并因此IGBT有遭受過壓破壞的危險。在柵電源2的電壓En偏置更高時，也出現(xiàn)類似的問題。
電流驅(qū)動開關(guān)元件和電壓開關(guān)元件將認為是功率轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)元件。
諸如GTO的電流驅(qū)動開關(guān)元件的關(guān)斷特性一般是當負載電流較小時，關(guān)斷時間更短，而當負載電流較大時，關(guān)斷時間由于如圖4所示的半導(dǎo)體元件中累積充電的影響而更長。因此，在諸如其中使用電流驅(qū)動開關(guān)元件的倒相器的功率轉(zhuǎn)換器中，至正與負支路(arm)的各個半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通柵極(on-gate)電源禁止時間(稱為空載時間)相對被拉長，并且長于最大關(guān)斷時間，如果考慮關(guān)斷元件的最大電流時的最大關(guān)斷時間的話，而且因此防止正與負支路之間的短路(直流短路)。
另一方面，實際觀察到諸如絕緣柵開關(guān)元件的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的關(guān)斷特性與圖5所示的電流驅(qū)動半導(dǎo)體開關(guān)元件的關(guān)斷特性完全相反，即在負載電流較大時的特性，關(guān)斷時間更短，而在負載電流較小時，關(guān)斷時間更長。
其原因是如圖6所示，由于在集電極與發(fā)射極之間電壓更小時(諸如在器件導(dǎo)通狀態(tài)中)柵極電容更大，而在集電極與發(fā)射極之間電壓較大時，柵極電容較小(基本上大小改變兩個數(shù)量級)，如果負載電流非常小，則從集電極對柵電容的充電緩慢。
因此，在絕緣柵開關(guān)元件中，為了防止正與負支路之間的短路(直流短路)，考慮到關(guān)斷此元件的非常小的電流時的關(guān)斷時間，只要求將正與負支路的空載時間設(shè)置得更長。然而，在那種情況下，不能利用具有高速轉(zhuǎn)換特性的絕緣柵開關(guān)元件的特性。雖然為使負載電流呈現(xiàn)正弦波形而希望采用較高開關(guān)頻率，但最好盡可能在PWM倒相器等的情況下，由于對空載時間的限制而限制上限頻率。
本發(fā)明目的是通過減少電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵電壓延遲提供具有以穩(wěn)定方式實施電壓驅(qū)動開關(guān)元件的關(guān)斷控制的選通驅(qū)動電路的功率轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明另一目的是提供具有能利用電壓驅(qū)動開關(guān)元件具有的并以穩(wěn)定方式在零電流至額定負載電流范圍中執(zhí)行開關(guān)操作的高頻操作的選通驅(qū)動電路的功率轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明還有一個目的是提供使用電壓驅(qū)動開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換器，此功率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)具有高可靠性的操作。
本發(fā)明又一個目的是提供壓焊絕緣柵開關(guān)元件，此元件最好用作可用于功率轉(zhuǎn)換器的電壓驅(qū)動開關(guān)元件。
本發(fā)明公開了為達到上述目的而遵循下列原則的一種器件。
本發(fā)明的概念是具有至少一對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器包括選通控制電路，此選通控制電路包括檢測裝置，用于檢測電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)與一組電參數(shù)中至少一個參數(shù)；監(jiān)視裝置，根據(jù)由檢測裝置檢測的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)與一組電參數(shù)中至少一個參數(shù)，監(jiān)視電壓驅(qū)動開關(guān)元件的接通與關(guān)斷狀態(tài)中至少一個狀態(tài)；和控制裝置，根據(jù)監(jiān)視裝置的監(jiān)視結(jié)果控制電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極。
遵循上述概念的本發(fā)明第一原則具有上述選通控制電路為特性，此選通控制電路包括判定裝置，根據(jù)電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵電壓判定電壓驅(qū)動開關(guān)元件關(guān)斷的完成；和偏移裝置，在判定裝置判定電壓驅(qū)動開關(guān)元件關(guān)斷完成時，將電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵電壓向負側(cè)偏移。
遵循上述概念的本發(fā)明第二原則具有上述選通控制電路為特性，此選通控制電路包括檢測裝置，用于檢測一對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中的電流；和控制裝置，用于控制，以便在由檢測裝置檢測的檢測電流大于預(yù)定值時，降低空載時間，直至柵極上信號加到此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件并且在關(guān)斷另一電壓驅(qū)動開關(guān)元件之后加到另一電壓驅(qū)動開關(guān)元件，或在檢測電流小于預(yù)定值時，增加空載時間，直至柵極上信號在關(guān)斷另一電壓驅(qū)動開關(guān)元件之后加到此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件。
遵循上述概念的本發(fā)明第三原則具有選通控制電路為特性，此選通控制電路還包括自保護裝置，用于執(zhí)行有關(guān)電壓驅(qū)動開關(guān)元件中電流的保護操作；自保持裝置，用于在啟動自保護裝置時，保持保護操作；和復(fù)位裝置，根據(jù)外部信號復(fù)位由自保護裝置保持的保護操作。
遵循上述概念的本發(fā)明第四原則具有電壓驅(qū)動開關(guān)元件為特性，此電壓驅(qū)動開關(guān)元件包括一個電極，壓焊到電壓驅(qū)動開關(guān)元件，和一個電感元件，以具有圓柱與螺線特性的形狀形成，加在電壓驅(qū)動開關(guān)元件一端與電極之間。
本發(fā)明的附加目的和優(yōu)點將在隨后的描述中提出并且一部分的目的與優(yōu)點從描述中是顯而易見或可以利用本發(fā)明的實踐了解。本發(fā)明的目的與優(yōu)點可利用具體在所附權(quán)利要求中特別指出的裝置與組合實現(xiàn)和獲得。
組合入并構(gòu)成說明書一部分的附圖表示本發(fā)明目前優(yōu)選的實施例，并與上面給出的一般描述和下面給出的優(yōu)選實施例的詳細描述一起用于解釋本發(fā)明原理。
圖1是表示常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的圖；圖2是用于表示常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器操作的波形圖；圖3是表示IGBT等效電容的圖；圖4是表示GTO關(guān)斷特性的曲線圖；圖5是表示電壓驅(qū)動半導(dǎo)體元件關(guān)斷特性的曲線圖；圖6是表示圖5所示的電壓驅(qū)動半導(dǎo)體元件的電容與電壓的曲線圖7是表示本發(fā)明第一優(yōu)選實施例結(jié)構(gòu)的圖；圖8是表示用于說明圖7中本發(fā)明第一實施例操作的波形的圖；圖9是表示本發(fā)明第二實施例結(jié)構(gòu)的圖；圖10是表示用于說明圖9中本發(fā)明第二實施例操作的波形的圖；圖11是表示本發(fā)明第三實施例結(jié)構(gòu)的圖；圖12是表示用于說明圖11中本發(fā)明第三實施例操作的波形的圖；圖13是表示本發(fā)明第四實施例結(jié)構(gòu)的圖；圖14是表示用于說明圖13中本發(fā)明第四實施例操作的波形的圖；圖15是表示本發(fā)明第五實施例結(jié)構(gòu)概況的方框圖；圖16是表示圖15所示的第五實施例的電平鑒別電路的電路圖；圖17是表示本發(fā)明第六實施例結(jié)構(gòu)的方框圖；圖18是表示本發(fā)明第七實施例結(jié)構(gòu)的方框圖；圖19是表示本發(fā)明第八實施例結(jié)構(gòu)的圖；圖20是表示圖19所示半導(dǎo)體器件操作的圖；圖21是表示本發(fā)明第九實施例結(jié)構(gòu)的方框圖；圖22是表示本發(fā)明第十實施例結(jié)構(gòu)概況的方框圖；圖23A-23D是表示圖22中所示的自保護裝置與自保持裝置操作的操作波形；圖24A-24C是表示圖22中所示的自保護裝置與自保持裝置操作的操作波形；圖25是表示本發(fā)明第十一實施例結(jié)構(gòu)概況的方框圖；圖26是表示本發(fā)明第十二實施例結(jié)構(gòu)概況的方框圖；圖27是表示本發(fā)明第十三實施例中功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件結(jié)構(gòu)概況的方框圖；圖28A與28B是表示本發(fā)明第十四實施例的功率轉(zhuǎn)換器的自保護裝置操作與電流限制之間關(guān)系表與曲線圖；圖29A-29C是表示本發(fā)明第十五實施例的功率轉(zhuǎn)換器的自保護裝置操作與電流限制之間關(guān)系的表和曲線圖；圖30是表示本發(fā)明第十六實施例的扁平型IEGT組件的部分剖視圖31是圖30的線XXXI-XXXI剖視圖；圖32是圖30中所示的(圓柱體)形狀線圈的透視圖；圖33是圖30所示的四棱柱形狀線圈的透視圖；圖34是圖32與33所示線圈的中心線的剖視圖；圖35采用絕緣涂層的圖30所示圓柱體形狀線圈的透視圖；和圖36是圖35所示線圈中心線的剖視圖。
本發(fā)明概念在于根據(jù)電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)與一組電參數(shù)中至少一個參數(shù)監(jiān)視電壓驅(qū)動開關(guān)元件接通與關(guān)斷狀態(tài)中至少一個狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)視結(jié)果控制電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極。這里，器件參數(shù)與電參數(shù)是那些元件的器件、柵極、發(fā)射極與集電極有關(guān)的參數(shù)。
本發(fā)明第一原則遵循下面概念根據(jù)電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵電壓確定電壓驅(qū)動開關(guān)元件關(guān)斷完成，并在確定完成關(guān)斷時，電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵電壓移到負側(cè)。
因此，減少電壓驅(qū)動開關(guān)元件柵電壓的延遲，并且能以穩(wěn)定方式執(zhí)行電壓驅(qū)動開關(guān)元件的關(guān)斷控制。
遵循本發(fā)明第一原則的第一優(yōu)選實施例將結(jié)合圖7進行描述。如圖7所示，在此實施例的功率轉(zhuǎn)換器的選通驅(qū)動電路中，第二柵電阻11通過開關(guān)14連在功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件的IGBT11柵極之間。開關(guān)14根據(jù)判定信號S操作在ON(通)或OFF(斷)狀態(tài)中，并且利用開關(guān)14的OFF狀態(tài)將負壓(-En)加到第二柵電阻11。從根據(jù)IGBT7的柵極與發(fā)射極之間的電壓Vge確定IGBT7關(guān)斷完成的關(guān)斷判定部分30給開關(guān)14加上判定信號S，其他組成部分與圖1的常規(guī)電路相同并給出相同標號。
在上述結(jié)構(gòu)中，如果正或負電壓的開關(guān)指令Vin從未示出的選通控制電路中輸入，如常規(guī)地進行那樣實施相同的開關(guān)操作。即，如果給出正或負電壓的開關(guān)指令Vin，從晶體管3或4輸出對應(yīng)開關(guān)指令Vin的電壓Vg，正或負的柵電壓通過柵電阻6加在IGBT7的柵極與發(fā)射極之間。從而，接通或關(guān)斷IGBT7，此開關(guān)操作與常規(guī)進行的相同。
在這種情況中，如果輸入負電壓的開關(guān)指令Vin，則晶體管4導(dǎo)通并輸出對應(yīng)柵電源2的負電壓的電壓Vg，IGBT7開始關(guān)斷操作，此時，柵極與發(fā)射極之間的電壓Vg保持在稱為Miller電壓(一般為5V數(shù)量級)的電平上，直至利用IGBT7的關(guān)斷特性流入集電極的電流變?yōu)榱?，如圖8所示。在電流為零時，電壓迅速轉(zhuǎn)移到負偏置狀態(tài)。在關(guān)斷中，由于以預(yù)定電流變化率di/dt減少集電極電流，由于開路電流較大，Miller電壓產(chǎn)生時間越長，而當開路電流較小時，Miller(米勒)電壓產(chǎn)生時間越短，如虛線所示。
在柵電壓Vge轉(zhuǎn)為負偏置狀態(tài)時，從關(guān)斷判定部分30輸出關(guān)斷完成的判定信號S，并且開關(guān)14處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且柵電源2的負電壓(-En)通過第二柵電阻11并聯(lián)加在IGBT7的柵極與發(fā)射極之間。
從而，柵電壓Vge快速偏移并偏置為負壓。因此，IGBT7的集電極與發(fā)射極之間電壓迅速上升，并且如果采用較大dv/dt，則IGBT7不再進行觸發(fā)和可保持其關(guān)斷狀態(tài)。因此IGBT7能以穩(wěn)定方式完成關(guān)斷操作。
圖9以具體方式表示本發(fā)明選通驅(qū)動電路的第二實施例。此選通驅(qū)動電路包括如圖9所示，晶體管12、13、14；電阻15、16、17；和二極管18。其它組成部分與圖1中常規(guī)電路相同，并使用相同標號。
在圖9結(jié)構(gòu)中，如果從未示出的選通控制電路輸入負電壓的開關(guān)指令Vin，則晶體管3處于關(guān)斷狀態(tài)中，晶體管4處于導(dǎo)通狀態(tài)，電壓-En輸入到柵電阻6，晶體管12處于關(guān)斷狀態(tài)，而晶體管13與14處于導(dǎo)通狀態(tài)。從而，電壓-En輸入到第二柵電阻11，第二柵電阻11來的柵電壓Vge與從柵電阻6提供的柵電壓Vge并行地提供給IGBT7。
在這種情況中，當開關(guān)指令Vin改變?yōu)檎妷?，則晶體管4處于關(guān)斷狀態(tài)，而晶體管3處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且柵電阻6的輸入電壓Vg從-En變?yōu)?Ep。同時，晶體管12從以前的關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，并且晶體管14處于關(guān)斷狀態(tài)，而且第二柵電阻11的輸入電壓從-En變?yōu)榱汶妷?，因此基準柵電壓Vge開始以時間常數(shù)(R6·Cies)變化速率正向改變。
在柵電壓Vge從負變化為正的同時，晶體管13處于關(guān)斷狀態(tài)并且增加?xùn)烹妷篤ge，于是控制IGBT為導(dǎo)通狀態(tài)。
此后，當開關(guān)指令Vin在電流流入IGBT7集電極的條件下從正電壓變?yōu)樨撾妷簳r，晶體管3處于關(guān)斷狀態(tài)，而晶體管4處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，電壓-En輸入給柵電阻6，并且同時晶體管12進入關(guān)斷狀態(tài)。
然而，在電流流入IGBT7的集電極時，如圖10所示，柵極與發(fā)射極之間的電壓Vge不立即改變?yōu)樨撾妷?，而是如上所述保持在Miller電壓上。因此，晶體管13不立即變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，但基極電流不流入晶體管14并且晶體管14保持在關(guān)斷狀態(tài)中，即使晶體管12處于關(guān)斷狀態(tài)。
因此，IGBT7只受從柵電阻6提供的柵電壓Vge的關(guān)斷控制。在集電極電流減為零并且Miller電壓消失和柵極-發(fā)射極電壓Vge為負時，晶體管13處于導(dǎo)通狀態(tài)和晶體管14也處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且輸入至第二柵電阻11的電壓從零電壓變?yōu)?En。因而，負柵電壓Vge從柵電阻6與第二柵電阻11并聯(lián)加到IGBT7。
因此，根據(jù)此實施例，在IGBT完成關(guān)斷操作之后，柵電壓Vge以短于由虛線表示的常規(guī)示例(圖1)的時間常數(shù)[Cge·(Rg1·Rg2)/(Rg1·Rg2)]快速偏置至負側(cè)，從而，能防止由于IGBT7的集電極-發(fā)射極電壓dv/dt而引起的第二觸發(fā)的發(fā)生。
在此實施例中，由于檢測到IGBT7關(guān)斷完成并因此控制柵電壓，所以以開路為特征的變化或以器件之間不同為特征的擴散(dispersion)不影響效果。
圖11表示選通驅(qū)動電路的第三實施例。在圖11中，此實施例的選通驅(qū)動電路除了包含在圖9與1之間的那些部分之外還包括二極管19、20和電阻21、22。
在此實施例中，晶體管13由柵電阻6的輸出側(cè)的電壓Vge或輸入側(cè)的電壓帶入導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)，無論哪個電壓更高。在圖11的結(jié)構(gòu)中，如果從未示出的選通控制電路輸入負電壓的開關(guān)指令Vin，則晶體管3處于關(guān)斷狀態(tài)，而晶體管4處于導(dǎo)通狀態(tài)。從而，電壓-En輸入給柵電阻6并且晶體管13、14都處于導(dǎo)通狀態(tài)，而且電壓-En輸入給第二柵電阻11。負的柵電壓Vge并聯(lián)加到IGBT7。
在開關(guān)指令Vin從這種情況變?yōu)檎妷簳r，晶體管4進入關(guān)斷狀態(tài)，而晶體管3進入導(dǎo)通狀態(tài)。與此同時，柵電阻6的輸入電壓Vg從-En變?yōu)镋P。同時，晶體管13將其狀態(tài)從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷和晶體管14進入關(guān)斷狀態(tài)，結(jié)果是第二柵電阻11的輸入端呈現(xiàn)開路狀態(tài)。因此，柵電壓Vge以時間常數(shù)(R6·Cies)的變化速率正向地增加，并且控制IGBT7處于圖12所示的導(dǎo)通狀態(tài)。
此后，在電流流入IGBT7集電極的條件下開關(guān)指令Vin變?yōu)樨撾妷簳r，晶體管3再次處于關(guān)斷狀態(tài)，晶體管4處于導(dǎo)通狀態(tài)并且電壓-En輸入到柵電阻6。
然而，由于在電流流入IGBT7的集電極時，柵極-發(fā)射極電壓Vge不立即變?yōu)樨撾妷憾潜３衷贛iller電壓上，所以晶體管13不立即進入導(dǎo)通狀態(tài)，而是如圖12所示保持晶體管14的關(guān)斷狀態(tài)。
因此，IGBT7只受從柵電阻6提供的柵電壓Vge的關(guān)斷控制。在集電極電流變?yōu)榱愫蚆iller電壓消失并且柵電壓Vge變?yōu)樨摃r，晶體管13帶入導(dǎo)通狀態(tài)并且晶體管13也獲得導(dǎo)通狀態(tài)。因此，輸入到第二柵電阻11的電壓從零變?yōu)?En，并因此負的柵電壓Vge以并聯(lián)方式從柵電阻6和第二柵電阻11加到IGBT7。
從上面描述中可以看出根據(jù)本發(fā)明，在IGBT完成關(guān)斷操作之后，柵電壓Vge以類似于上述實施例中的方式迅速變化并偏置至負側(cè)，從而能防止由于集電極-發(fā)射極電壓的dv/dt增加而引起的第二觸發(fā)的發(fā)生。
圖13以具體方式表示本發(fā)明的選通驅(qū)動電路的第四實施例。圖13所示的選通驅(qū)動電路具有除了圖1與11所示的電路之外還包括二極管23、24的結(jié)構(gòu)。
在此實施例的選通驅(qū)動電路中，在給出具有負電壓的開關(guān)指令Vin時，使柵電阻6的輸入電壓Vg為零電壓以便通過柵電阻6使IGBT7的柵極與發(fā)射極之間短路。
在此實施例中，如果在IGBT7呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)和集電極電流流動的條件下開關(guān)指令Vin從正電壓變?yōu)樨撾妷?，IGBT7開始關(guān)斷操作，從而柵電壓Vge保持在Miller電壓上，如上所述。在集電極電流變?yōu)榱愫蚆iller電壓消失時，則柵電壓Vge減為負電壓，并且通過二極管20和電阻17加到晶體管13的基極電壓V0變?yōu)樨?。因此，如圖14所示，晶體管13呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)并且晶體管14也呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，而且電壓-En加到第二柵電阻11。由此，柵電壓Vge快速偏置至負側(cè)，并防止由集電極-發(fā)射極電壓dv/dt引起IGBT7第二觸發(fā)的發(fā)生。
根據(jù)此實施例，由于使IGBT7的關(guān)斷操作以相當慢的速度進行以便利用di/dt控制浪涌電壓，并且柵電壓Vge從而能快速地從完成關(guān)斷的時間開始偏置至負側(cè)，能防止由于集電極-發(fā)射極電壓dv/dt引起IGBT7第二觸發(fā)的發(fā)生。
二極管24用于防止過大的反向電壓加在晶體管4的集電極與發(fā)射極之間。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的選通驅(qū)動電壓，由于在電壓驅(qū)動開關(guān)元件完成關(guān)斷操作時，柵電壓能迅速變?yōu)樨撈珘海瑥亩乐褂芍麟娐穌v/dt引起的不穩(wěn)定觸發(fā)，并能執(zhí)行具有穩(wěn)定性和高可靠性的通/斷開關(guān)控制。
現(xiàn)描述遵循本發(fā)明第二概念的一個實施例，本發(fā)明的第二概念是以這樣一種方式執(zhí)行控制以便檢測一對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中的電流，如果檢測到的電流等于或大于預(yù)定值，在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中另一元件被關(guān)斷之后，至導(dǎo)通柵極信號加到此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中一個元件的空載時間被縮短，而如果檢測到的電流小于預(yù)定值，則在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中另一元件被關(guān)斷之后，至導(dǎo)通柵極信號加到此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中一個元件的空載時間較長。
從而，能利用開關(guān)元件具有的高頻操作，并且能以穩(wěn)定方式執(zhí)行從零電壓到額定負載電流的開關(guān)操作。
遵循本發(fā)明第二概念的第五優(yōu)選實施例將結(jié)合圖15、16進行描述。如圖15所示，本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器的主電路包括直流電源101；其間串聯(lián)連接的絕緣柵半導(dǎo)體元件111至114，反向并聯(lián)連接各個元件111至114的二極管111a至114a。功率轉(zhuǎn)換器的主電路利用兩組或更多組絕緣柵半導(dǎo)體元件111至114和反向并聯(lián)連到器件的二極管111a至114a支路能輸出交流電源，其中一組絕緣柵元件111至114和二極管111a至114a稱為一個支路。
功率轉(zhuǎn)換器的控制電路包括為每個支路提供的變流器121至124；電平鑒別電路131，用于鑒別每個變流器的輸出電平或極性；控制電路，例如電壓頻率(V/F)控制電路132，用于提供通或斷信號給元件111至114的每個元件；空載時間控制電路133；柵脈沖分配器134和選通驅(qū)動電路135。
電平鑒別電路131鑒別提供給每個支路的變流器121至124的輸出電平。在空載時間控制電路133中設(shè)置的空載時間根據(jù)電平鑒別電路131的輸出信號進行改變。即，在分支電流小于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為更長，而在分支電流大于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為更小。
如圖16所示，在電平鑒別電路131中，在給利用反向極性交聯(lián)的每個支路提供的變流器121的次級裝備兩個光耦合器PH1，并根據(jù)電流是正向還是反向流動得到A與B信號，以及利用A與B信號鑒別主電路的輸出電平。
本發(fā)明的第六實施例表示在圖17中。如圖17所示，功率轉(zhuǎn)換器包括直流電源101；絕緣柵半導(dǎo)體元件111至114；和反向并聯(lián)連接到各個元件111至114的二極管111a至114a。在功率轉(zhuǎn)換器中，能利用兩支路或更多支路的器件或二極管得到交流輸出，其中一個支路包括組合的元件111至114和二極管111a至114a。
功率轉(zhuǎn)換器的控制電路包括變流器125，用于檢測直流；電平鑒別電路131，用于鑒別變流器125的輸出電平；V/F控制電路132，用于提供通或斷信號給元件111至114的每一個元件；空載時間控制電路133；選通分配器134；和選通驅(qū)動電路135。
電平鑒別電路131鑒別用于檢測直流的變流器125的輸出電平。在選通控制電路中設(shè)置的空載時間根據(jù)電平鑒別電路131的輸出信號進行改變。即，在直流小于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為更長，而在直流大于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為更小。
本發(fā)明第七實施例將結(jié)合圖18進行描述。在圖18中，與圖15、16相同的標號表示相同組成部分，而與圖15、16不同的是只在輸出線中提供變流器126。即，在空載時間控制電路133中設(shè)置的空載時間根據(jù)電平鑒別電路131的輸出信號進行改變。即，以這種方式進行控制，以致在直流小于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為更長，而在直流大于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為更小。
本發(fā)明的第八實施例將結(jié)合圖19進行描述。在圖19中，與圖15、16相同的標號表示相同的組成部分，并且只表示出變流器的兩個支路。在圖19中，提供發(fā)光器件140，諸如用于檢測元件111、112的柵極與發(fā)射極之間負偏置的裝置的光耦合器，并根據(jù)光檢測信號檢測元件111、112實際已關(guān)斷。柵信號GA、GB通過AND(與)電路AND1、AND2和放大器AMP1、AMP2提供給此對支路的元件111、112，其中AND1、AND2用于獲得信號X、Y與一對支路柵信號A、B的共軛運算。
圖20表示在元件被關(guān)斷時集電極電壓VCE和集電極電流IC、集電集電流和柵極與發(fā)射極之間電壓VGE。在關(guān)斷相當大的電流時，加上如以實線表示的波形的選通信號并因此產(chǎn)生Miller電壓，而且此后立即出現(xiàn)負電壓。另一方面，已發(fā)現(xiàn)在關(guān)斷非常小的電流時，加上以略微傾斜的虛線表示的形狀的波形，并因此關(guān)斷時間花費兩倍以上。
在圖19中，由于在關(guān)斷元件并且電流為零時，如圖20所示，在柵極與發(fā)射極之間產(chǎn)生負偏壓，利用負偏壓電流流入發(fā)光元件140。由此，檢測到此元件被關(guān)斷，獲得一對元件的檢測信號與柵極上指令的共軛運算并輸出柵信號。從而，由于防止正與負支路同時呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，所以即使在器件關(guān)斷時間改變時，也能防止直流短路的發(fā)生。
本發(fā)明的第九實施例將結(jié)合圖21進行描述。即，在圖21中，與圖19相同的號表示相同的組成部分，提供在關(guān)斷元件時檢測負的柵極電流的電流檢測器150以及由檢測器150信號操作的觸發(fā)電路151。
電流檢測器150在關(guān)斷柵電流流入一個元件111時檢測正電流，并因此電流檢測器150加上一個信號給觸發(fā)電路150，于是導(dǎo)通柵信號不加到此對元件的一個元件111，另一元件112。因此，復(fù)位觸發(fā)電路151。另一方面，電流檢測器150給觸發(fā)電路151加上一個信號，以便在電流檢測器150檢測到負的柵電流時設(shè)置觸發(fā)電路151。對應(yīng)一個器件111的觸發(fā)電路151的信號a和對應(yīng)此對元件的另一元件112的觸發(fā)電路151的信號a進行組合以便利用AND電路AND1生成共軛，并且AND電路AND1的輸出通過放大器AMP7和電阻7作為柵信號GA加到器件111。
在這樣的結(jié)構(gòu)中，由于能通過與上述實施例相同的操作利用電流檢測器150的輸出信號防止正與負支路同時呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，所以即使在器件關(guān)斷時間改變時，也能防止直流短路的發(fā)生。
從上面描述可看出，根據(jù)本發(fā)明，由于提供用于檢測半導(dǎo)體器件中流過的電流及其極性的檢測裝置，所以根據(jù)檢測裝置結(jié)果以這種方法進行控制在檢測的電流小于預(yù)定值時，轉(zhuǎn)換器的正與負支路的空載時間調(diào)整為持續(xù)較長，或在檢測的電流大于預(yù)定值時，空載時間調(diào)整為持續(xù)較短時間，即使半導(dǎo)體器件具有其特有的關(guān)斷特性，即，在電流較大時，關(guān)斷時間較短，而在負載電流較小時，關(guān)斷時間較長，從而能應(yīng)用半導(dǎo)體器件的高頻操作，于是能提供具有選通驅(qū)動系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器，此選通驅(qū)動系統(tǒng)可利用高可靠性以穩(wěn)定方式在零電流至額定負載電流范圍中進行驅(qū)動。
現(xiàn)描述遵循上述概念的本發(fā)明第三原則。第三原則是在自保護裝置用于執(zhí)行與電壓驅(qū)動開關(guān)元件中電流有關(guān)的保護操作時保持保護操作，并利用外部信號復(fù)位自保護裝置的保護操作的保持。
因此，可提供使用實現(xiàn)可靠性操作的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換器。
遵循本發(fā)明第三原則的優(yōu)選的第十實施例將結(jié)合圖22進行描述。在遵循第三原則的優(yōu)選實施例中，具有自我保護裝置的IPM(智能電源模塊)用作功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件。
在圖22中，功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件的IPM226包括二極管218反向連接的IGBT元件217，選通驅(qū)動器件225連到IGBT元件217的柵極，IPM226包括用于IGBT元件217的過電流保護的過電流保護電路220和用于短路電流保護的短路電流保護電路221。IPM226接收過電流保護電路220與短路電流保護電路221的輸出并且有用于保護IGBT元件217的故障檢測的故障檢測器214。另外，IPM包括自保持電路227、自保持電路的輸出信號端271和自保持電路227的復(fù)位信號端272，這些是本實施例的特征部分。
在這種結(jié)構(gòu)中，提供過電流保護電路220與短路電流保護電路221作為IGBT元件217的自保護功能。在這些電路220、221操作時，通過停止從選通驅(qū)動電路225提供給IGBT元件217的選通控制信號執(zhí)行保護操作，并同時提供操作信號給自保持電路227。在故障檢測器224中，可以檢測這些保護電路的操作，并且可以使用自保持電路227的輸出信號端271的信號。自保護電路227自我保持保護操作，直至利用復(fù)位信號端272的輸入信號復(fù)位電路227，并且在此自我保護期間也提供信號給選通驅(qū)動電路225。
作為與圖22的IGBT217中的電流相關(guān)的自保護裝置的過電流保護電路220或短路電流保護電路221的操作與自保護電路操作之間的關(guān)系將結(jié)合圖23A-23D和圖24A-24C進行描述。圖23A表示通過選通驅(qū)動電路225提供給IGBT元件217的選通控制信號的波形圖，圖23B表示短路電流保護電路221的保護輸出控制信號的波形圖，圖23C表示自保持電路227的輸出信號的波形圖，而圖23D表示從復(fù)位信號端272提供給自保持電路227的復(fù)位信號的波形。
在圖23A-23D中，IGBT元件217通常通過接收選通控制信號進行操作直至時間t1，在保護電路操作的同時，啟動自保持電路227，并在時間t1啟動短路電流保護電路221和在時間t2通常從復(fù)位信號端272提供復(fù)位信號來復(fù)位自保護電路時繼續(xù)自保持，以便提供選通控制信號給IGBT元件217。以這種方式，圖22所示的是半導(dǎo)體器件的IPM226可利用自保持電路227自保持自保護電路的操作，直至從IPM226的外部提供復(fù)位信號。
圖24A是通過選通驅(qū)動電路225提供給IGBT元件217的選通控制信號的波形圖，圖24B是短路電流保護電路221的保護輸出信號的波形圖，和圖24C是自保持電路227的輸出信號波形圖。在圖23A至23C中，在短路電流保護電路221的保護輸出信號操作的同時，自保護電路227開始自保持操作，而在圖24A-24C中，自保持電路227在時間t1開始，并在保護輸出信號生成次數(shù)達到預(yù)定數(shù)量或生成保護輸出信號的時間間隔過去預(yù)定間隔之后繼續(xù)自保持。
如圖24A-24C所示，圖22的IPM226只對例如由混合入選通控制信號中的噪聲引起的IGBT元件217的瞬時不穩(wěn)定觸發(fā)實施自保護。圖22的IPM226對在時間t6之后發(fā)生的并應(yīng)利用固有的自保護進行計數(shù)的諸如由瞬時不穩(wěn)定觸發(fā)重復(fù)引起的IGBT元件217故障的現(xiàn)象而啟動自保持電路227，而且能繼續(xù)自保持操作直至從IPM226的外部提供復(fù)位信號。
本發(fā)明的第十一實施例將結(jié)合圖25進行描述。是圖25的半導(dǎo)體器件IPM226’，除了圖22所示的組成部分之外還包括選通驅(qū)動電路228、柵電阻229和自保持電路的輸出信號端273。
在此實施例的IPM226’中，表示四個IGBT元件217和四個二極管以等效方式并聯(lián)連接的情況，其中每個IGBT元件作為器件組件中的芯片。雖然不限制組件中并聯(lián)的芯片數(shù)量，但調(diào)節(jié)這四個IGBT元件217，并且其中兩個與另外兩個分別并聯(lián)連接，而且通過柵電阻229從選通驅(qū)動電路228提供公用選通信號。此組合的兩組元件以等效方式在組件中并聯(lián)連接，并完成四個IGBT元件217的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。對于由公用選通驅(qū)動電路228控制的并行連接的每個單元，提供過電流保護電路(OCC)220和短路電流保護電路(SCC)221作為與電流有關(guān)的自保護功能。
在半導(dǎo)體器件組件中不具體限制以等效方式并聯(lián)連接的芯片數(shù)量，為其組成部分并聯(lián)連接的每個預(yù)定并聯(lián)連接單元提供自保護功能，從而在每個降級并聯(lián)連接單元中能獨立地實施自保護操作。
如圖25所示，由于給每個并聯(lián)連接單元提供自保持電路(SHC)227，在組件中提供多個自保持電路227，并且在半導(dǎo)體器件的組件中所有芯片同時出現(xiàn)故障的概率較低，只有有限數(shù)量的并行連接單元進入自保護模式，而其他并聯(lián)連接單元能以正常方式利用選通驅(qū)動電路228的選通控制信號繼續(xù)作為半導(dǎo)體器件的開關(guān)操作。
以這種方式，即使在IPM226’繼續(xù)其操作時，能利用來自自保持電路227的輸出信號終端271、273的每個輸出信號鑒別自保持電路227的操作條件。
在諸如IGBT元件217的MOS柵結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中，選通驅(qū)動電路228具有由于已實施自保護操作的IGBT元件217的柵端子故障而使IGBT元件217的柵端呈現(xiàn)低輸入阻抗的高可能性。在這種方法中，如果柵端呈現(xiàn)低阻抗，影響選通驅(qū)動電路228輸入端上的信號電平，從而可減少沒有實施自保護操作的IGBT元件217的其他并聯(lián)連接單元的選通控制信號。為了防止這樣的影響出現(xiàn)，可在選通驅(qū)動電路228中提供開關(guān)功能，以便在已實施自保護操作的并聯(lián)連接單元的自保持電路227繼續(xù)自保持操作期間，不從相應(yīng)的選通驅(qū)動電路228提供選通控制信號，從而能使自保持操作繼續(xù)而對順序并聯(lián)連接單元或外部并聯(lián)連接的順序IPM226’的選通控制信號沒有任何外部干擾。
可由選通驅(qū)動電路228操作并聯(lián)連接單元，在此并聯(lián)連接單元中不通過激活選通驅(qū)動電路228的開關(guān)功能提供選通控制信號，以便IGBT元件217的柵極端和發(fā)射極端只在不提供選通控制信號期間以等效方式呈現(xiàn)短路條件。
第十二實施例將結(jié)合圖26進行描述，即，圖26表示在如圖22所示的半導(dǎo)體器件的IPM226(或圖25所示的IPM226’)用作功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件的情況下的電路結(jié)構(gòu)。在圖26中，功率轉(zhuǎn)換器包括自保護監(jiān)視電路230和控制電路231。在激活自保護裝置并從而在圖22所示的IPM226(或圖25所示的IPM226’)內(nèi)部激活自保持裝置時，自保護監(jiān)視電路230檢測此情況并發(fā)送信息給控制電路231。
然而，由于控制電路231操作以使控制電路231在預(yù)定保持裝置操作范圍內(nèi)繼續(xù)提供選通控制信號給IPM226，所以使用半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換器能繼續(xù)其操作。
因此，與在只有一個芯片出現(xiàn)故障之后立即停止其操作的常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器相比，能很大程度地改善功率轉(zhuǎn)換器的操作可靠性。
本發(fā)明的第十三實施例將結(jié)合圖27進行描述。在圖27所示電路中，半導(dǎo)體器件的三個IPM226(或圖25所示的三個IPM226’)并聯(lián)連接。能使半導(dǎo)體器件的并聯(lián)連接以等效方式作為一個開關(guān)元件215操作。
在圖27所示的情況中，IPM26并聯(lián)連接并用作圖26所示的功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件，在監(jiān)視自保持裝置的操作條件的同時，使用半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換器操作可繼續(xù)，如果激活并聯(lián)連接的IPM226內(nèi)部的自保護裝置，由自保護監(jiān)視電路230進行檢測。
在自保護監(jiān)視電路230中，由于監(jiān)視自保持裝置的操作條件，監(jiān)視電路230根據(jù)自保持裝置的操作情況輸出信號給控制電路231，并從而控制功率轉(zhuǎn)換器的電流。在根據(jù)自保持裝置的操作情況控制功率轉(zhuǎn)換器的電流時，由于減少并聯(lián)連接的其他IPM226上的電流負載，在利用電流大小有限制地改善操作可靠性的同時，功率轉(zhuǎn)換器繼續(xù)操作。
本發(fā)明的的第十四實施例結(jié)合圖28A、28B進行描述。圖28A表示利用圖26所示的六個IPM(開關(guān)元件)處于操作中的自保持裝置的數(shù)量。圖28A表示功率轉(zhuǎn)換器電流的限制值。在圖28A、28B中，U與X、V與Y、W與Z是兩個IPM(開關(guān)元件)的結(jié)合，每個IPM相互串連并插在直流總線之間。
雖然在時間ta沒有自保持裝置操作，但在時間ta之后，自保持監(jiān)視電路230在三組IPM(開關(guān)元件)之間的比較中鑒別自保持功能最大操作數(shù)量，在每組IPM中兩個IPM并聯(lián)連接，并通過控制電路231控制功率轉(zhuǎn)換器的電流。
在ta、tb和tc順序改變電流的限制值，而在圖28中，由于具有相同自保持功能的IPM(開關(guān)元件)總數(shù)在時間td共計4，所以終止功率轉(zhuǎn)換器的操作。
以這種方式，如果利用IPM(開關(guān)元件)鑒別在哪個電路部分中由自保持監(jiān)視電路230激活自保持電路230時使功率轉(zhuǎn)換器在電流限制條件下繼續(xù)其操作，與常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器相比，能大大改善操作可靠性。即，雖然甚至僅由操作中的一個自保持裝置停止常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器，但利用對應(yīng)連續(xù)操作的速率能改善功率轉(zhuǎn)換器的操作可靠性，直至自保持裝置總數(shù)在此實施例中達到9。
本發(fā)明的第十五實施例將結(jié)合圖29A-29C進行描述。圖29A表示利用圖26所示的六個IPM(開關(guān)元件)處于操作中的自保持裝置數(shù)量。圖29B表示功率轉(zhuǎn)換器電流的限制值，圖29C表示輸入給圖22或圖25所示的IPM的復(fù)位信號端272的信號。
雖然由自保持監(jiān)視電路230監(jiān)視自保持裝置的操作情況并以類似于圖28A-28B的方式在時間ta和tb限制功率轉(zhuǎn)換器的電流，但在時間te從控制電路231輸入一個復(fù)位信號給是半導(dǎo)體器件的IPM226的復(fù)位信號端272。由于在時間te輸入復(fù)位信號給IPM226的復(fù)位信號端，在操作不是由于IPM自身因素而是由于負載上的臨時因素引起時，能復(fù)位自保持裝置的操作。因此，如果能復(fù)位自保持裝置，在輸入復(fù)位信號時的時間td之后改變功率轉(zhuǎn)換器電流的限制值，并因而能改善功率轉(zhuǎn)換器的操作可靠性。
雖然在上述實施例中，采用使用IGBT元件217的IPM226，但類型與數(shù)量不限制于此。不具體限制在半導(dǎo)體器件中提供的自保護裝置類型，但可使用任何自保護裝置，只要它至少對應(yīng)電流因素，并且也不限制半導(dǎo)體器件中自保護裝置和自保持裝置的數(shù)量。使用半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換器不在其電路系統(tǒng)或其電流限制方法中具體進行限制。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能提供半導(dǎo)體器件和使用此半導(dǎo)體器件的功率轉(zhuǎn)換器，利用此半導(dǎo)體器件能改善操作可靠性。
在本發(fā)明的第三原則中，在自保持裝置操作與自保護裝置的保護操作同時進行期間不能從驅(qū)動電路提供信號給預(yù)定芯片。
至少在預(yù)定半導(dǎo)體器件中激活自保護裝置時，能使對應(yīng)已被激活的自保護裝置的自保持裝置操作，同時使用其自保護裝置不被激活的半導(dǎo)體器件繼續(xù)操作。
能提供用于監(jiān)視與檢測自我保護裝置的監(jiān)視檢測裝置和用于根據(jù)來自監(jiān)視檢測裝置的檢測信號改變電流的限制電平的變量控制裝置。
現(xiàn)描述遵循上述概念的本發(fā)明第四原則。第四原則以具有電壓驅(qū)動開關(guān)元件為特征。此器件是壓焊絕緣柵開關(guān)元件并包括壓焊到此器件上的電極；和以具有柱面與螺線特征形狀形成的電感元件，裝備在元件末端與電極之間。
根據(jù)此原則，能提供最好用作適用于功率轉(zhuǎn)換器的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的壓焊絕緣柵開關(guān)元件。
現(xiàn)描述遵循第三原則最好用于電壓驅(qū)動開關(guān)元件的第十六實施例。此實施例公開扁平型IEGT并將結(jié)合圖30-32進行描述。
圖30表示扁平型IEGT組件的部分剖視圖，與連接在上端和下端的由金屬板311組成的蓋鉚合的環(huán)狀陶瓷絕緣子310還與銅接線柱312、312連接，銅線312、313用作集電極與發(fā)射極電極，是導(dǎo)電部件并能進行塑性變形。由鉬制成的熱緩沖板314插入在由柵極部分、集電極部分以及發(fā)射極部分構(gòu)成的芯片2的兩端的銅接線柱312、313之間，以抑制由于電流通過而引起的器件的熱應(yīng)力，并插入圖31所示的多個四角棱柱形狀的多個芯片以產(chǎn)生扁平型IEGT。銅線圈315a作為電感元件插入在發(fā)射極電極的銅接線柱313與熱緩沖板314之間，柵極管腳316形成在預(yù)定芯片2的一端上。
如圖32所示，線圈315a利用銅接線柱的機械處理準備為空心柱體形狀，并在空心柱體的側(cè)邊開出螺線形狀的凹槽，而且諸如normex的隔離層317嵌入作為線圈之間的絕緣層。
在這種方式中，由于圓柱體形狀的線圈315a用作電感元件并且關(guān)斷時線圈315a兩端產(chǎn)生的電壓E小于50V，加在隔離層317上的電壓是將電壓E除以線圈315a匝數(shù)得到的數(shù)值電壓，并因此在電介質(zhì)強度上沒有問題出現(xiàn)。
線圈315a的值能壓縮為小于50nH，理由是器件柵極耐壓極限是50V的數(shù)量級，而如果加上大于此值的電壓，則出現(xiàn)電介質(zhì)擊穿。
在此結(jié)構(gòu)中，由于高壓下器件中的開路電流di/dt是1KA/μs的數(shù)量級，L＝E1(di/dt)＝50V/1KA＝50nH。例如，具有安全系數(shù)2的線圈315a在25nH時的外尺寸是直徑10mm、匝數(shù)5和長度6mm的數(shù)量級。
因此，根據(jù)此實施例，由于線圈315a的材料是銅，給銅接線柱312、313加壓，并因此對線圈315a進行塑性變形，能減少尺寸誤差以保證均勻壓力加到芯片上。
在特性的一個方面，如同在焊接類型器件的情況中，在電流截止時，產(chǎn)生電壓L·di/dt，并且實際加到器件上的柵電壓Vge不是Eoff，而減至Eoff-L·di/dt，而且能忍受關(guān)斷電壓。因此，開路現(xiàn)象不出現(xiàn)，從而關(guān)斷的dv/di較適中并能防止器件擊穿。
而且，在截止較大電流時，dv/dt更適中并能更容易地防止器件擊穿，這是因為di/dt更大并且與此同時自動降低關(guān)斷的柵電壓。
根據(jù)此實施例，因為與在焊接類型器件情況中一樣，在器件耐壓更高并因此電壓E更高時，電流增長率為di/dv＝E/L(其中L表示互連電感等)的di/dt相反變小，所以能防止電流集中在某些器件中，而如果器件并聯(lián)連接，則器件被擊穿。
此實施例中所示的電感元件的修改示例將結(jié)合圖33-36進行描述。
圖32所示的電感元件是四棱柱形狀的線圈315b，而線圈315a是圖32所示的圓柱體形狀。由于與圖32所示的圓柱體形狀的線圈相比，電流通過的截面面積可以更大，所以能增加電流容量。
在四棱柱形狀的線圈315b的情況中，與圓柱體形狀線圈的情況一樣，由于要求電壓一般限制低于柵極與發(fā)射極之間的耐壓，所以在電流截止時出現(xiàn)的線圈315b兩端之間的電壓E低于50V，因此加到隔離層316上的電壓是將電壓E除以線圈315b的匝數(shù)所得到的值，并且加到隔離層的電壓是在耐壓上沒有問題的值。
圖34是沿圖32所示的圓柱體形狀線圈315a的中心線的截面圖和沿圖33所示的圓柱體形狀線圈315b的中心線的截面圖。所圖所示，圓柱體形狀的圖32線圈315a和四棱柱形狀的圖33線圈315b的柵電極Eg都通過插入柵管腳321形成，柵管腳321具有利用導(dǎo)線連到在較低部分形成的截止部分320或線圈315b的彈性特征。
圖35表示涂復(fù)諸如環(huán)氧樹脂的絕緣涂層330的圓柱形線圈315a。在這種情況中，雖然圓柱體形狀的線圈315a是實體，但如果四棱狀形狀的圖33的線圈315b涂復(fù)諸如環(huán)氧樹脂的絕緣涂層330，也能獲得類似效果。
圖36是沿圖35中心線的截面圖，并通過一個處理形成絕緣涂層330，在此處理中，為形成螺線形凹槽而已進行機械處理的線圈315a首先進行預(yù)熱，然后經(jīng)過液體浸漬(fluid dipping)方法和靜電涂敷方法的處理，以便隔離螺線形狀的凹槽。吸附在線圈315a兩端的絕緣涂層330能機械地除去以形成電極。這個絕緣涂層330與隔離層316的情況一樣在耐壓上沒有問題。
雖然未示出，但在圖30所示的多個線圈315a或圖33所示的線圈315a并聯(lián)連接并希望較大的電流容量時，發(fā)射極電極的銅接線柱312，313與多個圓柱柱形狀的線圈315a或多個四棱柱形狀的多個線圈315b進行排列。作為多個線圈的排列，線圈315a或315b利用銀焊料分別連到是發(fā)射極電極的銅接線柱313，或者線圈315a或315b利用銅接線柱313分別整體進行壓制加工或鑄造。此后，進行螺線形狀的開槽處理，隨后插入隔離板316或嵌入絕緣涂層330。
遵循本發(fā)明第四原則的開關(guān)元件的特征在于在其中元件與電極是壓焊的絕緣柵半導(dǎo)體元件中，在元件兩端和元件以及電極上提供熱緩沖板，并且元件與電感元件利用其間置入的熱緩沖板分別相互連接；
電感元件的匝之間的空隙能進行絕緣處理；通過在電感元件的匝之間插入電絕緣材料可進行絕緣處理；通過在電感元件的匝之間進行電絕緣涂敷可執(zhí)行絕緣處理；和多個電感元件能并聯(lián)連接；和電極和多個電感元件能形成為一個整體。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于電感元件能在器件中以均勻方式進行壓焊，所以能提供絕緣柵半導(dǎo)體元件，在此元件中能緩和dv/dt并能抑制并聯(lián)連接時關(guān)斷電流的不平衡，同時能實現(xiàn)壓焊的絕緣柵半導(dǎo)體元件的決定性優(yōu)點。
另外的優(yōu)點和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將容易想到。因此，本發(fā)明在其較寬方面不限于本文所表示和描述的具體細節(jié)和代表性的實施例。因此，可以進行各種修改而不脫離由所附權(quán)利要求書及其等效物定義的總的發(fā)明概念的精神或范疇。
權(quán)利要求
1.具有至少一對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一種功率轉(zhuǎn)換器，包括選通控制電路，此選通控制電路包括檢測裝置，用于檢測電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)與一組電參數(shù)中的至少一個參數(shù)；監(jiān)視裝置，根據(jù)檢測裝置所檢測的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)和一組電參數(shù)中的至少一個參數(shù)監(jiān)視電壓驅(qū)動開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)中至少一個狀態(tài)；和控制裝置，根據(jù)監(jiān)視裝置的監(jiān)視結(jié)果控制電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括判定裝置，用于根據(jù)電壓驅(qū)動開關(guān)元件的選通電壓判定電壓驅(qū)動開關(guān)元件關(guān)斷的完成；和偏移裝置，用于在判定裝置判定電壓驅(qū)動開關(guān)元件關(guān)斷完成時將電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵電壓偏移至負側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括在柵電壓小于預(yù)定值時是導(dǎo)通的并利用導(dǎo)通判定關(guān)斷完成的開關(guān)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括第二開關(guān)元件，如果加上柵電壓，則此開關(guān)元件處于非導(dǎo)通狀態(tài)，而如果第一電壓驅(qū)動驅(qū)動開關(guān)元件是導(dǎo)通的，則它也是導(dǎo)通的；和柵電阻，從第二開關(guān)元件傳送負電壓給第一電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括開關(guān)元件，當加在連到電壓驅(qū)動開關(guān)元件柵極的柵電阻上的電壓或柵電壓小于預(yù)定值，不管哪個更高，此開關(guān)元件是導(dǎo)通的并利用導(dǎo)通判定關(guān)斷完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括第二開關(guān)元件，在第一開關(guān)元件導(dǎo)通時它是導(dǎo)通的；和柵電阻，此電阻通過第二開關(guān)元件傳送負電壓給第一電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括檢測裝置，用于檢測流入此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的電流；和用于控制的控制裝置，以便在由檢測裝置檢測的檢測電流大于預(yù)定值時，減少空載時間，直至在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的另一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件被關(guān)斷之后導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件為止，或者在檢測電流小于預(yù)定值時，增加空載時間，直至在另一電壓驅(qū)動開關(guān)元件被關(guān)斷之后導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的這一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件為止。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括極性鑒別裝置，根據(jù)檢測裝置的輸出信號鑒別此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中的電流極性；和控制裝置，用于控制空載時間，以便根據(jù)極性鑒別裝置的鑒別結(jié)果將加到此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件上的導(dǎo)通柵信號延遲而使空載時間更長。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括電源電流檢測器，用于檢測連到此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的直流電源的電流；和用于控制的控制裝置，以便在由電源電流檢測器檢測的電流大于預(yù)定值時，減少空載時間，直至在另一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件被關(guān)斷之后導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件為止，或者在檢測的電流小于預(yù)定值時，增加空載時間，直至在另一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件被關(guān)斷之后導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件為止。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括交流電源檢測器，用于檢測此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的交流電源；和用于控制的控制裝置，以便在交流電源檢測器檢測的電流大于預(yù)定值時，減少空載時間，直至在這一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件被關(guān)斷之后導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件和另一開關(guān)元件為止，或者在檢測電流小于預(yù)定值時，增加空載時間，直至在這一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件被關(guān)斷之后導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件為止。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括負偏壓檢測裝置，用于檢測此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極負偏壓的絕對值是否大于預(yù)定值；和用于控制的控制裝置，以便根據(jù)負偏壓檢測裝置的輸出信號與此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件的導(dǎo)通柵信號的共軛運算將導(dǎo)通柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件上，其中此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的另一個開關(guān)元件是負偏壓檢測裝置檢測的目標。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路包括柵電流檢測裝置，用于檢測此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的負柵極電流；和控制裝置，根據(jù)柵電流檢測裝置的輸出信號與此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一個電壓驅(qū)動開關(guān)元件的導(dǎo)通柵信號的共軛運算將柵信號加在此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件上，其中此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的另一個開關(guān)元件是負偏壓檢測裝置檢測的目標。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路還包括自保護裝置，用于執(zhí)行與流入此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的電流有關(guān)的保護操作；自保持裝置，在啟動自保護裝置時保持保護操作；和復(fù)位裝置，根據(jù)外部信號復(fù)位自保護裝置的保護操作的保持。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路還包括自保護裝置，用于執(zhí)行與流入此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的電流有關(guān)的保護操作；自保持裝置，在啟動自保護裝置時保持保護操作；和復(fù)位裝置，根據(jù)內(nèi)部信號和外部信號復(fù)位自保護裝置的保護操作的保持，該內(nèi)部信號是直至自保護裝置的保護操作數(shù)量達到預(yù)定數(shù)量或其中執(zhí)行保護操作的時間間隔過去了預(yù)定間隔為止，而外部信號是在保護操作數(shù)量達到預(yù)定數(shù)量之后或在時間間隔過去了預(yù)定的時間間隔之后。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路還包括在預(yù)定并聯(lián)單元中裝備的并聯(lián)連接的多個電壓驅(qū)動開關(guān)元件；和自保護裝置，執(zhí)行與流入此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中的電流有關(guān)的保護操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路還包括在預(yù)定并聯(lián)單元中裝備的并聯(lián)連接的多個電壓驅(qū)動開關(guān)元件；自保護裝置，執(zhí)行與流入此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中的電流有關(guān)的保護操作；和復(fù)位裝置，根據(jù)外部信號復(fù)位自保護裝置的保護操作的保持。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中選通控制電路還包括在預(yù)定并聯(lián)單元中裝備的并聯(lián)連接的多個電壓驅(qū)動開關(guān)元件；自保護裝置，執(zhí)行與流入此對電壓驅(qū)動開關(guān)元件中電流有關(guān)的保護操作；和復(fù)位裝置，根據(jù)內(nèi)部信號和外部信號復(fù)位自保護裝置的保護操作的保持，內(nèi)部信號是直至自保護裝置的保護操作數(shù)量達到預(yù)定數(shù)量，或其中執(zhí)行保護操作的時間間隔過去了預(yù)定間隔為止，而外部信號是在保護操作數(shù)量達到預(yù)定數(shù)量之后或在時間間隔過去了預(yù)定時間間隔之后。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中電壓驅(qū)動開關(guān)元件包括壓焊到電壓驅(qū)動開關(guān)元件上的電極；和以具有圓柱體和螺線特性的形狀形成的電感元件，裝備在電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一端與電極之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中電壓驅(qū)動開關(guān)元件包括壓焊到電壓驅(qū)動開關(guān)元件上的電極；和以具有四棱柱和螺線特性的形狀形成的電感元件，裝備在電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一端與電極之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的功率轉(zhuǎn)換器，其中電壓驅(qū)動開關(guān)元件包括壓焊到電壓驅(qū)動開關(guān)元件上的電極；和以螺線形狀形成的電感元件，裝備在電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一端與電極之間。
全文摘要
具有至少一對電壓驅(qū)動開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換器包括選通控制電路,此選通控制電路包括:檢測部分,用于檢測電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)和一組電參數(shù)中的至少一個參數(shù);監(jiān)視部分,根據(jù)由檢測部分檢測的電壓驅(qū)動開關(guān)元件的一組器件參數(shù)與一組電參數(shù)中的至少一個參數(shù)監(jiān)視電壓驅(qū)動開關(guān)元件的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)中至少一個狀態(tài);和控制部分,用于根據(jù)監(jiān)視部分的監(jiān)視結(jié)果控制電壓驅(qū)動開關(guān)元件的柵極。
文檔編號H02M1/08GK1201291SQ9811511
公開日1998年12月9日 申請日期1998年4月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月22日
發(fā)明者市川耕作, 平田昭生, 佐藤和弘, 川上和人 申請人:株式會社東芝