專利名稱：半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及分別按照專利權(quán)利要求1和6的前序部分的電子電路和功率半導(dǎo)體模塊。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體模塊中，經(jīng)常將通常相同的兩個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)并聯(lián)連接以實(shí)現(xiàn)所需的總電流容量。在這種情況下，必須保證在任何時(shí)間點(diǎn)流過(guò)半導(dǎo)體功率模塊的總電流盡可能均勻地分布在各個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之間，以防止超過(guò)單個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的電流容量。具體地說(shuō)，在此情況下開(kāi)關(guān)操作是關(guān)鍵的，這是因?yàn)樵谶@些操作期間，從功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的輸出側(cè)到驅(qū)動(dòng)側(cè)的反饋會(huì)導(dǎo)致不均勻的動(dòng)態(tài)電流分配。以下參照?qǐng)D1對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。圖1示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的、具有并聯(lián)連接的三個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體模塊的電路圖，所述功率半導(dǎo)體模塊是例如在對(duì)三個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)T1、T2和T3進(jìn)行不對(duì)稱布局的情況下生產(chǎn)的。在這種情況下，由于相應(yīng)發(fā)射極端子E1、E2或E3與節(jié)點(diǎn)C之間的對(duì)應(yīng)導(dǎo)電連接的幾何形狀不同，寄生發(fā)射極側(cè)電感LE，1、LE，2和LE，3具有不同的值。在開(kāi)關(guān)操作期間，由于所述電感的值不同，在電感LE，1、LE，2和LE，3上感生了不同的電壓。在LE，1＝LE，3＞LE，2的當(dāng)前情況下，這導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)循環(huán)電流，即從發(fā)射極端子E1或E3到發(fā)射極端子E2的電流流動(dòng)，如圖1中的虛線箭頭所示。這種電流流動(dòng)又在發(fā)射極電阻RE，1、RE，2和RE，3上產(chǎn)生不同的電壓降UR，1、UR，2和UR，3，并且由此在IGBT T1、T2和T3上產(chǎn)生不同的柵電壓UG，1、UG，2和UG，3。不同的柵電壓UG，1、UG，2和UG，3最終實(shí)現(xiàn)振蕩、循環(huán)電流以及上述的不均勻動(dòng)態(tài)電流分配，這導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)容量相對(duì)于理論可能值的減小(“降額”)
能夠阻止這種不均勻動(dòng)態(tài)電流分配的各種方法是已知的。
首先考慮了借助于附加電感或電阻元件結(jié)合輸出側(cè)去耦的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，借助于此對(duì)電感LE，1、LE，2和LE，3的不同值進(jìn)行補(bǔ)償。但是，這樣的解決方案導(dǎo)致了空間需要的增加，還導(dǎo)致了在大電流的情況下由于需要制造元件而引起的成本增加。
還可以設(shè)想在每種情況下，實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)和驅(qū)動(dòng)側(cè)兩者的直接硬連接，優(yōu)選地借助于去耦電阻將驅(qū)動(dòng)側(cè)去耦。如果可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)對(duì)稱，則這是一個(gè)有用且成本效率高的解決方案。但是，由于這一般尤其需要功率半導(dǎo)體模塊的幾何對(duì)稱或者驅(qū)動(dòng)和功率引線的至少彼此相同或鏡像反轉(zhuǎn)(mirror-inverted)的實(shí)施例，在功率半導(dǎo)體模塊具有多于兩個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的情況下，這樣的過(guò)程一般不能采用，或者，至多以高支出采用。此外，如果想要并聯(lián)連接位于分離的子模塊或甚至完整的功率半導(dǎo)體模塊中的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，所描述的解決方案一般不能采用。
另外的變型同樣使用輸出側(cè)的直接硬連接，但利用分離的驅(qū)動(dòng)單元將驅(qū)動(dòng)側(cè)去耦。但是，這強(qiáng)加了對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的同步性和親和性(affinity)的苛刻要求，這又導(dǎo)致制造成本的增加。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供一種具有并聯(lián)連接的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的電子電路，在此情況下實(shí)現(xiàn)了所述至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之間盡可能均勻的動(dòng)態(tài)電流分配。
利用具有獨(dú)立專利權(quán)利要求的特征的在引言中提及類(lèi)型的電子電路實(shí)現(xiàn)了這些和其他目的。在從屬專利權(quán)利要求中說(shuō)明了本發(fā)明的其他有利改進(jìn)。
在特別用作功率開(kāi)關(guān)的按照本發(fā)明的電子電路的情況下，提供了產(chǎn)生至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)單元，以及兩個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)具有第一和第二主端子，利用所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以使功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)同步地開(kāi)關(guān)，在每種情況下，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的第一和第二主端子被相互并聯(lián)地電連接。為每個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)提供了用于連接到驅(qū)動(dòng)單元的第一和第二導(dǎo)電連接，在每個(gè)第一導(dǎo)電連接中提供第一電感，在每個(gè)第二導(dǎo)電連接中提供第二電感，并且對(duì)于每個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，第一電感耦合到第二電感。按照本發(fā)明，在每對(duì)第一和第二導(dǎo)電連接中提供相應(yīng)的共模抑制電感器，即為每個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)提供了相應(yīng)的共模抑制電感器。在此，在每種情況下，共模抑制電感器的第一繞組形成第一電感，并且共模抑制電感器的第二繞組形成第二電感。
耦合的電感減小了在開(kāi)關(guān)操作期間的耦合和串?dāng)_問(wèn)題。動(dòng)態(tài)循環(huán)電流得以最小化并且功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)之間的振蕩得以有效抑制。按照本發(fā)明的電子電路具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即直接并聯(lián)連接的輸出側(cè)的優(yōu)點(diǎn)以及對(duì)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，不必有多個(gè)分離控制單元的同步或者輸出電路中的昂貴電路，這使得能夠進(jìn)行成本效率高的生產(chǎn)。具體地說(shuō)，利用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的柵與發(fā)射極之間的柵電阻的均勻分配，可針對(duì)直流行為來(lái)優(yōu)化輸出側(cè)的平衡。共模抑制電感器將第一和第二導(dǎo)電連接對(duì)與在功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的陰極端子和公共節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的功率電路去耦。去耦進(jìn)一步保證了在功率電路中的對(duì)應(yīng)路徑之間的均勻動(dòng)態(tài)電流分配。
根據(jù)以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些以及其他的目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將變得顯而易見(jiàn)。


在附圖中圖1示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的、具有三個(gè)并聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的電子電路。
圖2示出了按照本發(fā)明的電子電路。
圖3a示出了用于測(cè)量共模抑制電感器Di的串聯(lián)電感的測(cè)量裝置的電路圖。
圖3b示出了用于測(cè)量共模抑制電感器Di的共模電感的測(cè)量裝置的電路圖。
圖4示出了按照本發(fā)明的電子電路的優(yōu)選配置。
在附圖中使用的標(biāo)號(hào)以及它們的含義概括在標(biāo)號(hào)列表中。原則上，在附圖中，相同的部分提供有相同的標(biāo)號(hào)。所描述的實(shí)施例借助于例子表現(xiàn)了本發(fā)明的主題，并且不具有限制作用。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了按照本發(fā)明的電子電路，其具有被并聯(lián)連接為功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的三個(gè)IGBT Ti，其中，i∈{1，2，3}。后者可借助于公共驅(qū)動(dòng)單元20來(lái)同步地開(kāi)關(guān)。為此，由公共驅(qū)動(dòng)單元20產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)引線對(duì)提供給每個(gè)IGBT Ti。但是，也可以設(shè)想可同步開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是單極絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS-FET)。根據(jù)圖2，每對(duì)驅(qū)動(dòng)引線包括在節(jié)點(diǎn)Ai與輔助發(fā)射極端子Hi之間提供的第一驅(qū)動(dòng)引線和位于節(jié)點(diǎn)Bi與柵端子Gi之間提供的第二驅(qū)動(dòng)引線。按照本發(fā)明，在每對(duì)第一與第二導(dǎo)電連接(驅(qū)動(dòng)引線對(duì))之間提供了相應(yīng)的共模減小電感器(common-mode reductioninductor)Di，即給每個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Ti提供了相應(yīng)的共模抑制電感器Di。根據(jù)圖2，這里，在每種情況下，共模抑制電感器Di的第一繞組形成第一電感LD1，i，并且，共模抑制電感器Di的第二繞組形成第二電感LD2，i。共模抑制電感器Di將驅(qū)動(dòng)引線，即第一和第二導(dǎo)電連接與在陰極端子Ki和公共節(jié)點(diǎn)C之間經(jīng)過(guò)IGBT Ti的功率電路去耦。去耦保證了在功率電路中的路徑K1-C、K2-C和K3-C之間的均勻動(dòng)態(tài)電流分配。在這種情況下，優(yōu)選地將柵電阻劃分，使得對(duì)于i∈{1，2，3}，RG，i≈RE，i保持為真，其中，優(yōu)選地為RG，i和RE，i選擇IGBT的標(biāo)稱柵電阻RG，nom的一半的值，即RG，i＝RE，i＝1/2RG，nom。
在這種情況下，優(yōu)選地將共模抑制電感器Di的串聯(lián)電感LD,i(G)選擇成盡可能小，優(yōu)選地小于或等于200nH。在這種情況下，共模抑制電感器Di的串聯(lián)電感是將共模抑制電感器Di的兩個(gè)線匝串聯(lián)連接時(shí)所測(cè)量的那個(gè)電感。圖3a示出了用于測(cè)量共模抑制電感器Di的串聯(lián)電感的測(cè)量裝置的電路圖。
在這種情況下，模抑制電感器Di的共模電感LD，i(G)優(yōu)選地至少接近地選擇如下根據(jù)兩個(gè)發(fā)射極電感之間的差LE，i-LE，j的最大值ΔLE，其中i≠j∈{1，2，3}，以及分別存在于兩個(gè)IGBT Ti和Tj的各輔助發(fā)射極端子Hi和Hj與各柵端子Gi和Gj之間的兩個(gè)柵-發(fā)射極電壓UGE，i與UGE，j之間的預(yù)定最大允許差ΔUGE，其中i≠j∈{1，2，3}，有可能計(jì)算最小共模電感LD(G)。由于IGBT Ti是其中可以通過(guò)柵-發(fā)射極電壓UGE，i來(lái)設(shè)置集電極電流的壓控元件，有必要根據(jù)IGBT Ti的傳遞特性通過(guò)興趣區(qū)域內(nèi)的最大允許集電極電流差來(lái)讀出最大允許電壓差ΔUGE。
按照ΔQGE＝ΔUGE·CGE，通過(guò)將最大允許電壓差ΔUGE乘以柵-發(fā)射極電容CGE，得到柵電荷的允許差ΔQGE，已經(jīng)假設(shè)對(duì)于所有三個(gè)IGBTTi，柵-發(fā)射極電容CGE，i具有相同值CGE。
然后，可以通過(guò)將柵電荷最大允許差ΔQGE除以其間在各個(gè)發(fā)射極電感上建立電壓的相關(guān)時(shí)間tR，計(jì)算柵電流Ii與Ij之間的最大允許差ΔIG，其中i≠j∈{1，2，3}，即ΔIG=ΔQGEtR]]>對(duì)于最小共模電感LD{G}，如果將對(duì)發(fā)射極電感差的電壓-時(shí)間積分除以允許柵電流差，則得到以下結(jié)果LD(G)=UΔIG/Δt=U·ΔtΔIG]]>
對(duì)發(fā)射極電感差LE，i-LE，j的最大值ΔLE的電壓-時(shí)間積分可以通過(guò)將ΔLE乘以最大電流，IGBT的短路電流IsC來(lái)計(jì)算U·△t＝△LE·ISC.
因而，得到以下結(jié)果LD(G)=UΔIG/Δt=ΔLE·ISCΔIG]]>在這種情況下，共模抑制電感器Di的共模電感是將共模抑制電感器Di的兩個(gè)線匝并聯(lián)連接時(shí)所測(cè)量的那個(gè)電感。圖3b示出了用于測(cè)量模抑制電感器Di的共模電感的測(cè)量裝置的電路圖。
圖4示出了按照本發(fā)明的電子電路的優(yōu)選配置。在這種情況下，在節(jié)點(diǎn)A2與輔助發(fā)射極端子H2之間提供了與共模抑制電感器Di并聯(lián)的電阻器RD，以使驅(qū)動(dòng)單元20與功率電路之間的峰值電壓D最小。優(yōu)選地，為RD選擇幾歐姆到幾十歐姆的值。
按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊包括本身已知的類(lèi)型的模塊殼體以及如在本節(jié)已經(jīng)描述過(guò)的、按照本發(fā)明的電子電路。在這種情況下，優(yōu)選地將功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)單元20和/或第一和第二電感都容納在模塊殼體中。但是，在有利的情況下，也可以在模塊殼體之外提供驅(qū)動(dòng)單元20和/或第一和第二電感，具體地說(shuō)，將它們擰上或插上。
在按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的優(yōu)選發(fā)展中，該模塊包括兩個(gè)或多個(gè)子模塊，并且由控制單元驅(qū)動(dòng)的至少兩個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)不全部位于同一子模塊中。在這種情況下，可特別有利地使用本發(fā)明，這是因?yàn)樵谖挥诓煌幽K中的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)中一般不能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和功率引線的彼此相同或鏡像反轉(zhuǎn)的實(shí)施例，并且因此，在現(xiàn)有技術(shù)中描述的已知的勉強(qiáng)的解決方案是不可用的。
標(biāo)號(hào)列表20驅(qū)動(dòng)單元A1，A2，A3節(jié)點(diǎn)B1，B2，B3節(jié)點(diǎn)D1，D2，D3共模抑制電感器E1，E2，E3發(fā)射極端子G1，G2，G3柵端子H1，H2，H3輔助發(fā)射極端子K1，K2，K3陰極端子LD1，1，LD1，2，LD1，3第一電感LD2，1，LD2，2，LD2，3第二電感RD限制電阻器T1，T2，T3IGBT，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種電子電路，特別用作功率開(kāi)關(guān)，包括-驅(qū)動(dòng)單元(20)，其產(chǎn)生至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；-兩個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)，每個(gè)具有第一和第二主端子，利用所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以使所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)同步地開(kāi)關(guān)，在每種情況下，所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)的第一和第二主端子相互并聯(lián)地電連接；-對(duì)于每個(gè)所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)，用于連接到所述驅(qū)動(dòng)單元(20)的第一和第二導(dǎo)電連接；-在每個(gè)所述第一導(dǎo)電連接中的第一電感(LD1，1，LD1，2，LD1，3)；-在每個(gè)所述第二導(dǎo)電連接中的第二電感(LD2，1，LD2，2，LD2，3)，對(duì)于每個(gè)所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)，所述第一電感(LD1，1，LD1，2，LD1，3)耦合到所述第二電感(LD2，1，LD2，2，LD2，3)，特征在于-給每個(gè)所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)提供相應(yīng)的共模抑制電感器(D1，D2，D3)，在每種情況下，所述共模抑制電感器(D1，D2，D3)的第一繞組形成所述第一電感(LD1，1，LD1，2，LD1，3)，并且所述共模抑制電感器(D1，D2，D3)的第二繞組形成所述第二電感(LD2，1，LD2，2，LD2，3)。
2.如權(quán)利要求1所述的電子電路，特征在于，-為每個(gè)共模抑制電感器(D1，D2，D3)選擇大于最小共模電感LD(G)的共模電感LD，i(G)，其中LD(G)=ΔLE·LSCΔIG,]]>式中，-ΔLE是兩個(gè)發(fā)射極電感LE，i與LE，j之間的最大差LE，i-LE，j，其中，i≠j∈{1，2，3}，-ISC是所述功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)的短路電流，并且-ΔIG是兩個(gè)柵電流Ii與Ij之間的最大允許差I(lǐng)i-Ij，其中i≠j∈{1，2，3}。
3.如前述權(quán)利要求之一所述的電子電路，特征在于，-所述可同步開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
4.如權(quán)利要求1和2中的任何一個(gè)所述的電子電路，特征在于，-所述可同步開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)是單極絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOS-FET)。
5.如權(quán)利要求3所述的電子電路，特征在于，-用于每個(gè)所述IGBT(T1，T2，T3)的第一導(dǎo)電連接與輔助發(fā)射極端子(H1，H2，H3)進(jìn)行接觸，并且-提供與所述第一電感(LD1，1，LD1，2，LD1，3)中的一個(gè)并聯(lián)的限制電阻器(RD)。
6.一種功率半導(dǎo)體模塊，包括模塊殼體，特征在于，-所述功率半導(dǎo)體模塊包括如權(quán)利要求1到5之一所述的電子電路。
7.如權(quán)利要求6所述的功率半導(dǎo)體模塊，特征在于，-所述功率半導(dǎo)體模塊包括至少兩個(gè)子模塊，并且-可以由驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步開(kāi)關(guān)的兩個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T1，T2，T3)不全部位于同一子模塊中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電子電路，包括控制單元(20)，其產(chǎn)生至少一個(gè)控制信號(hào)；以及兩個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T
文檔編號(hào)H03K17/16GK1792035SQ200480013658
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月19日
發(fā)明者烏爾里克·施拉普巴克, 拉斐爾·施內(nèi)爾 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司