专利名称：并联连接的半导体部件的电流平衡的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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[1]、[2]、[3]和[7]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]、[5]和[6]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[7]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。
发明内容
本发明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发明的目的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。本发明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，本发明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发明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。本发明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。本发明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，本发明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，本发明也对其进行校正。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。
下面，将参照附图借助于优选实施例对本发明进行更详细的描述，其中图1示出了带有其变量的定义的IGBT部件；图2示出了本发明的实施例的框图；图3示出了本发明的实施例的更详细的框图；图4示出了与本发明的实施例的操作相关的测量；图5示出了本发明的功能的框图；图6示出了本发明的操作的时序图；以及图7和图8示出了在部件接通和关断时本发明的操作的测量结果。
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。在本发明中，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，并以阵列td[k]形式发送到模块23，其中，该阵列td[k]将在后面的各自的状态改变中被考虑到。如上所述，可以在到达栅极单元的信号中或在离开栅极单元的信号中考虑延迟值。图3示出了本发明的实施例。在此实施例中，两个IGBT的电压Vb。nd,Xi由补偿分压器(阻容的)测量并与阈值进行比较，以获得被馈送到FPGA(现场可编程栅极阵列)电路和加载到寄存器Reg Xl 32和Reg Xn 33的数字信号vmeas, Xi。通过模块；34、；35和36的FPGA 中的算法实现集电极电流上升或下降的开始时刻的提取。将计算出的延迟时间馈送到延迟线37，延迟线37也接收用于控制开关部件的PWM(脉冲宽度调制)信号。然后修改PWM信号并将其馈送到开关部件。图2和图3示出了开关部件的串联连接。通常，开关部件用在诸如逆变器等功率修改设备中，其中，功率级由上开关和下开关构成，用这些开关可以将正或负电压控制到位于上开关和下开关之间的输出。仅用于说明的目的，在图2和图3中示出了上开关。然而， 本发明的思想可以且通常与那些更详细地描述的类似地适用于所有并联连接的开关。基于集电极电流上升或下降的开始的时间差的、并联IGBT的栅极信号的下一延迟时间的计算在FPGA中以及栅极单元信号输入处的延迟线中实现，其中，延迟线允许栅极单元控制信号(Vctel,Xi)的时序修改。
在开关过程中由补偿分压器(阻容的)测量电压Vb。nd,Xi。如图4所示，将Vb。nd,xl* Vbond, x2与生成VmeaU1和V_s, X2的阈值电压Vth比较。图4中最上方的图示出了在部件接通过程中集电极电流的上升和集电极到发射极电压的下降。图4中中间的图示出了在开关期间电感的电压。该电压与集电极电流的时间导数成比例。将电感的电压与阈值电压比较， 当该电压越过阈值时，电压Vnreas被切换到高状态，如图4中最下方的图所示。最下方的图示出了时刻、、t2、t3和t4。时刻、和、是在上升时U1)和下降时(t2)所测电压首次达到阈值的时刻，时刻t3和t4是针对另一个开关部件的类似时刻。、和t3之间的时间差是部件之间的延迟，后面在FPGA中计算该时间差。图5示出了根据一个实施例的在FPGA中实现的功能的框图。该电路从测量电路接收输入Vmeas, X1到Vmeas, &并从调制器或控制器接收PWM开关信号S。补偿系统为在FPGA 中实现的延迟线输送延迟值。在FPGA中实现的用于接通的逻辑的工作原理如下。开关信号s的上升沿启动计数器51，该计数器51例如可以是133 MHZ 8位的计数器，实现大约7ns的校正步长。一检测到信号V-M1到由低到高的转变就将计数器的实际值加载到寄存器Reg_Xl到Reg_Xn中。因此，在感应电压越过设定的阈值的时刻将计数器51的值加载到寄存器中。一旦将值加载到了寄存器中，则从每个寄存器中减去寄存器Reg_Xl到RegJCn中的最小值。将该减法的结果写入寄存器exl到exn。在图5的实现中，通过对数据进行排序 M、偏置55和消除排序56来实现该减法。由于此减法，寄存器之一接收到零作为延迟的值。在信号s的下一次由高到低转变时由控制块57读寄存器exl到exn的值。控制块 57将由计数器输出的存储值改变成代表时间的值。控制块57基于用于前一接通瞬态的、步骤k-Ι的延迟值和寄存器到 e)ta[k-l]中的也源自上一接通瞬态的值来为延迟线58提供针对步骤k的值tdjjk]，i = 1，. . .，η。在大约从信号由高到低的转变2μ s后，将用于延迟线的新值td,Xi[k]加载到其输入寄存器59中。将开关信号馈送到延迟线58，并将具有延迟的开关信号馈送到栅极单元 GU。到栅极单元的信号表示为单箭头。可以理解在图5的示例中，信号由用于两个并联开关部件的两个信号组成。如上所述，可以在栅极单元中而不是在到栅极单元的信号中考虑延迟。当在栅极单元中考虑修改时，每个并联的栅极单元同时接收到控制信号并处理修改， 使得在不同时间产生栅极电压。如果在到栅极单元的控制信号中考虑延迟，则每个并联的栅极单元接收到修改信号并立即产生栅极电压。图5还示出了内存块60，使用的延迟时间被馈送并存储到该内存块60。可以出于分析延迟数据的目的而读取该内存。用于关断的工作原理是类似的，唯一的变化是使用s的互补信号作为该处理的触发。为了阐明本发明的实现中的信号的时序，在图6中示出了用于接通操作的时序图。从图6可以看出，当接收到开关信号时，计数器开始工作。当接收到电压V·』和V_s, X2时，计数器的值被读到寄存器Reg_xi和Reg_X2。当计数器复位时，将来自寄存器Reg_Xl 和Reg_X2的、从所有寄存器中减去寄存器中最低值的值移位到寄存器 和eX20当开关信号由高到低变化时，使能控制器的输出，并将用于延迟线的新值加载到延迟线的输入寄存器中。然后，将用于延迟的值加载到延迟线中。在本发明的实施例中，将之前使用的补偿延迟考虑在对后面延迟的计算中。例如， 如果前一延迟时间td,xl[k-l]是χ纳秒，而电压的测量(使用χ纳秒作为延迟)给出的结果是应当将对同一部件的延迟Atd校正y纳秒用于后面相似的开关动作，那么，将前一延迟时间、,Χ1&-1]与新延迟Atd相加来获得用于后面的开关动作的延迟时间、,Χ1&]。在以上实施例中，使用数字电路以数字形式描述了延迟时间的生成。可以通过在延迟值的生成中使用模拟逻辑电路来实现本发明。图7示出了在接通瞬态时所实现的本发明的测量结果。图7a示出了集电极电流之间具有IOOns的延迟时间差的不平衡系统。图7b示出了补偿了延迟的平衡系统。从顶部到底部的子图示出了发射极电流iE和集电极到发射极电压(顶部)、栅极到发射极电压和测得的感应电压(中间)以及通过将感应电压与阈值电压比较而为时序信息产生的电压 Vmeas (底部)°图8示出了在关断瞬态时所实现的本发明的测量结果。图8a示出了不平衡系统 (其集电极电流之间具有IOOns的延迟时间差)，图8b示出了平衡系统。可以清楚地认识到本发明对并联的IGBT的电流分布的平衡效果。对子图的说明与图7中的那些类似。在本发明中，通过测量与IGBT串联的电感上的电压来间接测量电流变化率。在 IGBT模块中，此电感例如可以是模块内部杂散电感Lb。nd,Xi，参见图1( S卩，在主发射极端子和辅助发射极之间用于控制单元连接的电感)。然而，电感也可以是串联到IGBT的外部电感。 可以将测得的电压Vb。nd, Xi之间的时间差(例如，电流上升或下降的开始、持续或结束，斜率的符号，等等)用作时间延迟补偿单元的输入，其中，测得的电压^^⑶表示并联IGBT的电流变化率，该时间延迟补偿单元在初始化开关瞬态时将这些点(point)平衡。调节栅极信号的时序使得在相应的开关瞬态之后获得的并联IGBT的器件电流被平衡。可以通过使用任意适当的测量设备实现电压Vb。nd,Xi的测量。该测量可以是直接的电压测量，或者该测量可以是电容式或电感式测量。还清楚的是，可以在电压的测量中使用模数转换器。以上，参考FPGA电路详细地描述了各功能。FPGA仅是适用于这种操作的数字器件的一个示例。其他示例包括使用MSP(混合信号处理器)、DSP(数字信号处理)、微控制器寸。还可以有要提取的参数的变化。以上，结合仅提取电流上升或下降的开始来描述本发明。还可以从电流上升或下降的结束、持续时间或上升或下降时间的符号、或者这些的任意组合中获得信息。控制器或补偿器的结构的变化、或延迟线的实现方面的变化也是可行的。允许像延迟线一样的信号延迟控制的一些其他结构或器件的构造是实现的另外可能的变型。随着技术进步，本发明的构思可以以各种方式实施，这对于本领域的技术人员而言是明显的。本发明及其实施例不限于以上描述的示例，而是可以在权利要求的范围内变化。参考文献[1] J. -F. Chen, J. -N. Lin, and Τ. -H. Ai, "The techniques of the serial andparalleled igbts,“ in Industrial Electronics, Control, and Instrumentation,1 ~ J96. ， Proceedings of the 19B6 IEEE IECON 22nd International Conference on, vol. 2, Aug lg96，pp. 9g9-1004 vol. 2.[2]H. Miyazaki, H. Fukumoto, S. Sugiyama, M. Tachikawa, and N. Azusawa, "Neutral-point-clamped inverter with parallel driving of igbts for industrial applications，，，Industry Applications，IEEE Transactions on，vol. 36, no. 1, pp. 146-151，Jan/Feb 2000.[3]C. Abbate, 0. Busatto，L Fratelli, F. lannuzzo, B. Cascone，and C. Giannini, “Series connection of high power igbt modules for traction applications， c in Power Electronics and Applications，2005 European Conference on，0—02005， pp. 8pp. -P. 8.[4]J. Thalheim,N. Felber,and W. Fichtner, "A new approach for controlling series-connected igbt modules，” in Circuits and Systems,2001. ISCAS 2001. The 2001 IEEE International Symposium on, vol. 3, May 2001，pp.69-72 vol. 2.[5] 5. Musumeci, R. Pagano, A. Raciti, F. Frisina, and M. Melito，“Parallel strings of igbts in short circuit transients analysis of the parameter influence and experimental behavior,，，in IECON 02 [Industrial Electronics Society, IEEE 2002 28th Annual Conference of the]，vol.1，Nov. 2002，pp. 555-560 vol. 1.[6] J V. Wang, M.Abu Khaizar an, and P. Palmer, "Controlled switching of high voltage igbts in series，，，in Electron Devices and Solid-State Circuits，2003 IEEE Conference on，Dec. 2003，pp.297-300.[7]R. Hermann，“Investigation of the parallel connection of Integrated Gate Commutated Thyristors and diodes for high current converters，，，PhD· Thesis， TU-Berlin, May 2009.
权利要求
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。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述控制信号馈送到栅极单元之前修改一个或多个控制信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述栅极单元处修改一个或多个控制信号。
4.根据前述权利要求1到3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述主电流路径中的电感是所述部件的杂散电感。
5.根据前述权利要求1到3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述主电流路径中的电感是另外的电感部件。
6.根据前述权利要求1到5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述修改一个或多个控制信号包括将在前一状态变化中得到的延迟项加到之前使用的延迟项上；以及将得到的和用作延迟所述控制信号的延迟项。
7.根据前述权利要求1到6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述感应电压越过所述阈值电压的时刻是所述感应电压上升的时刻。
8.根据前述权利要求1到6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述感应电压越过所述阈值电压的时刻是所述感应电压下降的时刻。
9.一种平衡并联连接的功率半导体部件的开关瞬态行为的设备，其特征在于，所述设备包括用于向所述并联连接的功率半导体部件(Xi)提供用于改变所述部件的状态的开关信号(s)的装置；用于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的装置；用于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的装置； 用于将每个所述感应电压与预定的阈值电压相比较的装置； 用于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的装置；以及用于根据测得的时间差、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的装置。
全文摘要
本发明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。
文档编号H02M1/06GK102377325SQ201110245479
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月22日 优先权日2010年8月23日
发明者卡斯滕·芬克, 安东尼奥·科恰, 斯特芬·贝尔内特, 罗德里戈·阿隆索·阿尔瓦雷斯瓦伦祖埃拉 申请人:Abb研究有限公司