專利名稱：半導體元件的驅動裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有切換功能的半導體元件的驅動裝置及方法。詳細地說，涉及能夠在半導體元件進行切換時抑制切換損失的增加并降低浪涌電壓的半導體元件的驅動裝置及方法。
背景技術：
以往，在電動汽車中，由于通常使用以三相交流方式驅動的同步電動機，所以搭載有將電池(直流電源)的直流輸出轉換成三相交流以驅動同步電動機的逆變器。此外，將像這樣搭載在電動汽車上的逆變器特別地稱為“電動汽車用逆變器”。電動汽車用逆變器多采用PWM(Pulse Width Modulation 脈寬調制)控制， 作為用于實現(xiàn)該PWM控制的電力用半導體元件，采用IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 絕緣柵雙極型晶體管)(參照專利文獻1至3)。專利文獻1 JP-A-2007-306166專利文獻2 JP-A-2008-078816專利文獻3 :US2010/0008113IGBT是由柵極-發(fā)射極間的電壓Vge驅動，并能夠根據(jù)針對柵極的輸入信號而進行導通及斷開的動作的自消弧形的半導體元件。這里，斷開切換是指IGBT的集電極-柵極間從導通狀態(tài)切換至斷開狀態(tài)，導通切換是指IGBT的集電極-柵極間從斷開狀態(tài)切換至導通狀態(tài)。在電動汽車用逆變器中，對應于這樣的IGBT，成對地使用FWD(Free Wheeling Diode 續(xù)流二極管)。S卩，F(xiàn)WD是對應于IGBT的續(xù)流二極管，與IGBT并聯(lián)且與IGBT的輸入輸出方向反向地連接。另外，在電動汽車用逆變器中設有驅動IGBT的電路(以下稱為“半導體元件驅動電路”)。即，半導體元件驅動電路通過改變IGBT的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge的值來控制 IGBT的導通及斷開。然而，在IGBT的導通或斷開這樣的切換時的過渡期間，會產生浪涌電壓。以下，對浪涌電壓簡要地進行說明。在連接有IGBT的電路(母線)中，存在浮地電感。這樣的浮地電感相對于電流成為慣性力，產生妨礙該電流變化的作用。因此，當電流要急劇減小時，在浮地電感內部，在妨礙該電流減小的方向上產生電動勢。即，在電動汽車用逆變器中，在相對于電池的電源電壓串聯(lián)地相加的方向上產生電動勢。基于這樣產生的電動勢的電壓被稱為“浪涌電壓”。在電動汽車用逆變器中，串聯(lián)連接的兩個IGBT為一個單位，對于同步電動機的三相的負載，例如將三個單位等的多個單位并聯(lián)連接而使用。在一個單位內，當一方的IGBT 導通時，另一方的IGBT斷開。因此，在一個單位內的切換時的過渡期間中，由于某一方的 IGBT的集電極電流急劇降低，因此會產生大的浪涌電壓相加在電源電壓上，并被施加在 IGBT的集電極-發(fā)射極間。
因此，IGBT需要具有耐受得住這樣的浪涌電壓的元件耐壓。因此，當然，浪涌電壓越大，所要求的元件耐壓也就越上升，因而IGBT也變得大型化。如果是在工廠等中使用的工業(yè)用逆變器的話，由于工廠內有充分的設置空間，所以能夠采用大型的IGBT。但是，在電動汽車用逆變器中，難以在電動汽車內確保這樣的設置空間，因此采用大型的IGBT非常困難。由此，作為搭載在電動汽車用逆變器中的IGBT，要求小型化。為了實現(xiàn)IGBT的小型化，只要相反地將元件耐壓抑制在較低程度即可，為此，只要降低浪涌電壓即可。如上述那樣，因電流的急劇減小而產生浪涌電壓，因此，通過減緩電流減小的變化程度就能夠降低浪涌電壓。即，如果以下將IGBT的切換時的電流、電壓的上升、下降時間稱為“切換速度”的話，則通過減慢切換速度，能夠降低浪涌電壓。然而，若為了降低浪涌電壓而減慢切換速度，則切換時的過渡時期中的IGBT、FffD 的損失(以下稱為“切換損失”)變大。另一方面，若為了降低切換損失而加快切換速度，則如上所述，浪涌電壓變大。這樣，在浪涌電壓與切換損失之間，存在折衷(相悖條件)的關系。此外，以下，將處于這樣的關系中的浪涌電壓與切換損失的特性稱為“浪涌電壓與切換損失的折衷特性”。因此，在電動汽車用逆變器中，期望改善浪涌電壓與切換損失的折衷特性，換言之，期望在IGBT切換時，一邊抑制切換損失的增加，一邊降低浪涌電壓。為了滿足這樣的期望，專利文獻1至3中公開了幾個方法，但在這些以往的方法中，很難說充分滿足了該期望。因此，目前的狀況是正在尋求一種能夠充分滿足該期望的新方法。以上，以電動汽車用逆變器為例進行了說明，但是，不僅是電動汽車用逆變器要求小型化，對于采用具有切換功能的半導體元件的各種機器來說，也要求小型化。因此，現(xiàn)在的狀況是，要求能夠充分滿足該期望的新方法不僅適用于電動汽車用逆變器的IGBT，還能夠一般性地廣泛適用于具有切換功能的半導體元件。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施方式提供一種具有切換功能的半導體元件的驅動裝置及方法，該半導體元件的驅動裝置及方法能夠在半導體元件切換時，一邊抑制切換損失的增加，一邊降低浪涌電壓。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，半導體元件11具有根據(jù)施加在柵極上的驅動信號的電壓Vge而導通或斷開的切換功能，該半導體元件11可以通過以下方式被驅動在半導體元件11從導通切換至斷開時，根據(jù)半導體元件11的集電極電流Ic的時間變化dl/dt生成反饋電壓Vfe，并將反饋電壓Vfe作為驅動信號的電壓Vge的一部分進行施加。通過實施例的記載及權利要求書，能夠了解其他特征及效果。


圖1是包括應用了 “di/dt內反饋動作”的半導體元件驅動電路在內的、電子電路的一個實施方式的簡要構成的圖。圖2表示能夠實現(xiàn)“di/dt內反饋動作”的控制塊。
圖3(A)及圖3(B)是說明生成浪涌電壓與切換損失的折衷特性的以往的方法的圖。圖4是表示應用了 “di/dt內反饋動作”的情況下的IGBT斷開時的柵極的驅動情況的時序圖。圖5是表示作為圖1的電子電路在斷開時采用了“di/dt內反饋動作”的斷開基本模型的簡要構成的圖。圖6是圖5的電子電路的斷開基本模型的流程圖。圖7(A) 圖7(D)是表示圖6的斷開基本模型的電子電路及以往的電子電路的各自斷開時的動作的結果的時序圖。圖8是表示圖6的斷開基本模型的電子電路及以往的電子電路的各自斷開時的浪涌電壓與損失的關系的一個例子的圖。圖9是表示圖6的斷開基本模型的安裝方式的簡要構成的圖。附圖標記的說明1 電子電路11IGBT
12FffD
13半導體元件驅動電路
21柵極電阻
22電壓源
23di/dt反饋部
24增益部
25電阻器
31di/dt檢測部
32增益部
33電壓源
51主電路電源
52平滑電容器
61負載
71電抗器
72二極管
73可變電阻
74電抗器
具體實施例方式以下，根據(jù)

本發(fā)明的實施方式。圖1是包括本發(fā)明的半導體元件驅動電路13在內的電子電路1的一個實施方式的簡要構成的圖。電子電路1例如能夠作為電動汽車用逆變器的功率模塊的一部分而被采用。電子電路1包括IGBT 11、FWD 12和半導體元件驅動電路13。
IGBT 11與FWD 12并聯(lián)連接且輸入輸出方向反向地連接。IGBT 11具有使逆變器的電源線等的母線接通或阻斷的切換功能，該IGBT 11根據(jù)被施加在IGBT 11的柵極上的驅動信號的電壓的大小、即柵極-發(fā)射極間的電壓Vge的大小導通或斷開。半導體元件驅動電路13通過改變IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge，來控制 IGBT 11的導通及斷開。半導體元件驅動電路13具有柵極電阻21、電壓源22、di/dt反饋部23。電壓源22輸出柵極電壓Vgg，其一端連接在IGBT 11的發(fā)射極上，其另一端經(jīng)由柵極電阻21連接在IGBT 11的柵極上。S卩，柵極電阻21的一端連接在電壓源22上，另一端連接在IGBT 11的柵極上。柵極電阻21具有根據(jù)其電阻值Rg對導通或斷開的過渡期中出現(xiàn)的IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge的振動進行抑制、以及調整IGBT 11的切換速度等的功能。當電壓源22的柵極電壓Vgg為高值(HIGH)時，IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓 Vge也成為高值(HIGH)，于是IGBT 11導通。另一方面，當電壓源22的柵極電壓Vgg為低值(LOW)時，IGBTll的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge也成為低值(LOW)，于是IGBT 11斷開。di/dt反饋部23根據(jù)在連接有IGBT 11的母線中流過的電流的時間變化生成反饋電壓Vfb，并作為IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge的一部分、即驅動信號的電壓的一部分進行相加。具體地說，這里，di/dt反饋部23根據(jù)電子電路1的主電流、即IGBT 11的集電極電流Ic的時間變化、即時間微分值dlc/dt生成反饋電壓Vfb，并作為IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge的一部分進行相加。這樣的di/dt反饋部23的動作是應用本發(fā)明的動作，以下，為了與以往的其他動作相區(qū)別，特別地稱為“di/dt內反饋動作”。以下，對“di/dt內反饋動作”進行更詳細的說明。式子(1)至式子(11)是說明“di/dt內反饋動作”的原理的式子。式子1Ice_sat = gm - (Vge-Vlh) (1)在式子(1)中，Ice表示IGBT 11的集電極-發(fā)射極間的電流(與集電極電流Ic 等價)。gm表示IGBT 11的互導。Vge表示IGBTll的柵極-發(fā)射極間的電壓。VTh表示IGBT 11的閾值電壓。從式子(1)能夠得到式子(2)。式子2
Γ n d]cedvge dgra=gni- I rft “ \e(2)如式子⑵所示，IGBT 11的集電極-發(fā)射極間的電流Ice的時間變化依存于IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge、和IGBT 11的互導gm的時間變化。IGBT 11的互導gm如式子(3)所示。式子3


^ns "^a χ
, '1-apffp Lch
Vns=^onst
(3)
在式子(3)中，α _表示發(fā)射極注入效率。μ ns表示通道內電子的平均遷移率。 從式子(3)能夠得到式子(4)。式子4
dgm — 1 Fns . Cas dVge dt 1 — CCp^p LcJ1 dt(4)
這里，如式子( 所示那樣定義K。式子5
1 ^ns 、
K=^I-· —；--( 5 )
-(Λ·ρΝρ Lcft
從以上的式子( 至式子(5)能夠得到式子(6)式子6
dt 、ge Tli; dt ‘ dt ^ge -ν dVrrociVcF p,
= Z-K- Vfie-VTh)--3^=2-gr
dt dt
(6)另外，IGBT 11的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge如式子(7)所示。式子7Vge = Vbias+VFB-Rg · ig (7)在式子(7)中，Vfb表示反饋電壓。這里，為了簡單化，使柵極電阻Rg = 0，則從式子(7)能夠得到式子⑶。式子8^ = dV_s〔二 0) — ^ = ^(8)
dt dt dl* rif從式子⑶能夠得到式子(9)。式子9
r n dire ^d￥rB, 、-i^ = Ζ-ΕΙ '( 9 )
dt 5 dt從式子(9)可知，增益(大小)與2gm成比例，IGBT 11的集電極-發(fā)射極間的電流Ice (與集電極電流Ic等價)的時間變化、即時間微分值dlc/dt與反饋電壓FB成比例。這里，若使與IGBT 11的集電極-發(fā)射極間的電流Ice(與集電極電流Ic等價)的時間變化、即時間微分值dlc/dt成比例的電壓作為反饋電壓Vfb反饋，則能夠得到式子(10) 及式子(11)。式子10
_T.direVfb = Again * —( ο)
式子11
權利要求
1.一種半導體元件的驅動裝置(13)，所述半導體元件具有根據(jù)施加在柵極上的驅動信號的電壓(Vge)而導通或斷開的切換功能并且集電極與發(fā)射極被插入到母線中，所述半導體元件的驅動裝置(13)為了通過所述半導體元件(11)使所述母線導通或阻斷，向所述半導體元件(11)的柵極供給所述驅動信號，其特征在于，所述半導體元件的驅動裝置(1 包括反饋部(23)，該反饋部在所述半導體元件 (11)從導通切換至斷開時，根據(jù)所述半導體元件(11)的集電極電流(Ic)的時間變化(dl/ dt)生成反饋電壓(Vfe)，并將所述反饋電壓(Vfe)作為所述驅動信號的電壓(Vge)的一部分進行施加。
2.如權利要求1所述的半導體元件的驅動裝置，其特征在于，所述反饋部將所述半導體元件(11)的集電極電流(Ic)的所述時間變化(dl/dt) 暫時蓄積在寄生于所述半導體元件(11)的發(fā)射極的浮地電感中，然后根據(jù)從所述浮地電感放出的電壓能量生成所述反饋電壓(Vfe)。
3.一種半導體元件(11)的驅動方法，所述半導體元件(11)具有根據(jù)施加在柵極上的驅動信號的電壓(Vge)導通或斷開的切換功能并且集電極與發(fā)射極被插入在母線中，所述驅動方法的特征在于，在所述半導體元件(11)從導通切換至斷開時，根據(jù)所述半導體元件(11)的集電極電流(Ic)的時間變化(dl/dt)生成反饋電壓(Vfe)，并將所述反饋電壓(Vfe)作為所述驅動信號的電壓(Vge)的一部分進行施加。
全文摘要
本發(fā)明提供半導體元件的驅動裝置及方法。半導體元件(11)具有根據(jù)施加在柵極上的驅動信號的電壓(Vge)導通或斷開的切換功能，該半導體元件(11)如下被驅動，即在半導體元件(11)從導通切換至斷開時，根據(jù)半導體元件(11)的集電極電流(Ic)的時間變化(dI/dt)生成反饋電壓(VFE)，并將反饋電壓(VFE)作為驅動信號的電壓(Vge)的一部分進行施加。
文檔編號H03K17/56GK102377418SQ20111023012
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權日2010年8月9日
發(fā)明者塚田能成 申請人:本田技研工業(yè)株式會社