专利名称：半导体元件的驱动装置及方法
技术领域：
本发明涉及具有切换功能的半导体元件的驱动装置及方法。详细地说，涉及能够在半导体元件进行切换时抑制切换损失的增加并降低浪涌电压的半导体元件的驱动装置及方法。
背景技术：
以往，在电动汽车中，由于通常使用以三相交流方式驱动的同步电动机，所以搭载有将电池(直流电源)的直流输出转换成三相交流以驱动同步电动机的逆变器。此外，将像这样搭载在电动汽车上的逆变器特别地称为“电动汽车用逆变器”。电动汽车用逆变器多采用PWM(Pulse Width Modulation 脉宽调制)控制， 作为用于实现该PWM控制的电力用半导体元件，采用IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管)(参照专利文献1至3)。专利文献1 JP-A-2007-306166专利文献2 JP-A-2008-078816专利文献3 :US2010/0008113IGBT是由栅极-发射极间的电压Vge驱动，并能够根据针对栅极的输入信号而进行导通及断开的动作的自消弧形的半导体元件。这里，断开切换是指IGBT的集电极-栅极间从导通状态切换至断开状态，导通切换是指IGBT的集电极-栅极间从断开状态切换至导通状态。在电动汽车用逆变器中，对应于这样的IGBT，成对地使用FWD(Free Wheeling Diode 续流二极管)。S卩，FWD是对应于IGBT的续流二极管，与IGBT并联且与IGBT的输入输出方向反向地连接。另外，在电动汽车用逆变器中设有驱动IGBT的电路(以下称为“半导体元件驱动电路”)。即，半导体元件驱动电路通过改变IGBT的栅极-发射极间的电压Vge的值来控制 IGBT的导通及断开。然而，在IGBT的导通或断开这样的切换时的过渡期间，会产生浪涌电压。以下，对浪涌电压简要地进行说明。在连接有IGBT的电路(母线)中，存在浮地电感。这样的浮地电感相对于电流成为惯性力，产生妨碍该电流变化的作用。因此，当电流要急剧减小时，在浮地电感内部，在妨碍该电流减小的方向上产生电动势。即，在电动汽车用逆变器中，在相对于电池的电源电压串联地相加的方向上产生电动势。基于这样产生的电动势的电压被称为“浪涌电压”。在电动汽车用逆变器中，串联连接的两个IGBT为一个单位，对于同步电动机的三相的负载，例如将三个单位等的多个单位并联连接而使用。在一个单位内，当一方的IGBT 导通时，另一方的IGBT断开。因此，在一个单位内的切换时的过渡期间中，由于某一方的 IGBT的集电极电流急剧降低，因此会产生大的浪涌电压相加在电源电压上，并被施加在 IGBT的集电极-发射极间。
因此，IGBT需要具有耐受得住这样的浪涌电压的元件耐压。因此，当然，浪涌电压越大，所要求的元件耐压也就越上升，因而IGBT也变得大型化。如果是在工厂等中使用的工业用逆变器的话，由于工厂内有充分的设置空间，所以能够采用大型的IGBT。但是，在电动汽车用逆变器中，难以在电动汽车内确保这样的设置空间，因此采用大型的IGBT非常困难。由此，作为搭载在电动汽车用逆变器中的IGBT，要求小型化。为了实现IGBT的小型化，只要相反地将元件耐压抑制在较低程度即可，为此，只要降低浪涌电压即可。如上述那样，因电流的急剧减小而产生浪涌电压，因此，通过减缓电流减小的变化程度就能够降低浪涌电压。即，如果以下将IGBT的切换时的电流、电压的上升、下降时间称为“切换速度”的话，则通过减慢切换速度，能够降低浪涌电压。然而，若为了降低浪涌电压而减慢切换速度，则切换时的过渡时期中的IGBT、FffD 的损失(以下称为“切换损失”)变大。另一方面，若为了降低切换损失而加快切换速度，则如上所述，浪涌电压变大。这样，在浪涌电压与切换损失之间，存在折衷(相悖条件)的关系。此外，以下，将处于这样的关系中的浪涌电压与切换损失的特性称为“浪涌电压与切换损失的折衷特性”。因此，在电动汽车用逆变器中，期望改善浪涌电压与切换损失的折衷特性，换言之，期望在IGBT切换时，一边抑制切换损失的增加，一边降低浪涌电压。为了满足这样的期望，专利文献1至3中公开了几个方法，但在这些以往的方法中，很难说充分满足了该期望。因此，目前的状况是正在寻求一种能够充分满足该期望的新方法。以上，以电动汽车用逆变器为例进行了说明，但是，不仅是电动汽车用逆变器要求小型化，对于采用具有切换功能的半导体元件的各种机器来说，也要求小型化。因此，现在的状况是，要求能够充分满足该期望的新方法不仅适用于电动汽车用逆变器的IGBT，还能够一般性地广泛适用于具有切换功能的半导体元件。
发明内容
本发明的实施方式提供一种具有切换功能的半导体元件的驱动装置及方法，该半导体元件的驱动装置及方法能够在半导体元件切换时，一边抑制切换损失的增加，一边降低浪涌电压。根据本发明的实施方式，半导体元件11具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压Vge而导通或断开的切换功能，该半导体元件11可以通过以下方式被驱动在半导体元件11从导通切换至断开时，根据半导体元件11的集电极电流Ic的时间变化dl/dt生成反馈电压Vfe，并将反馈电压Vfe作为驱动信号的电压Vge的一部分进行施加。通过实施例的记载及权利要求书，能够了解其他特征及效果。
图1是包括应用了 “di/dt内反馈动作”的半导体元件驱动电路在内的、电子电路的一个实施方式的简要构成的图。图2表示能够实现“di/dt内反馈动作”的控制块。
图3(A)及图3(B)是说明生成浪涌电压与切换损失的折衷特性的以往的方法的图。图4是表示应用了 “di/dt内反馈动作”的情况下的IGBT断开时的栅极的驱动情况的时序图。图5是表示作为图1的电子电路在断开时采用了“di/dt内反馈动作”的断开基本模型的简要构成的图。图6是图5的电子电路的断开基本模型的流程图。图7(A) 图7(D)是表示图6的断开基本模型的电子电路及以往的电子电路的各自断开时的动作的结果的时序图。图8是表示图6的断开基本模型的电子电路及以往的电子电路的各自断开时的浪涌电压与损失的关系的一个例子的图。图9是表示图6的断开基本模型的安装方式的简要构成的图。附图标记的说明1 电子电路11IGBT
12FffD
13半导体元件驱动电路
21栅极电阻
22电压源
23di/dt反馈部
24增益部
25电阻器
31di/dt检测部
32增益部
33电压源
51主电路电源
52平滑电容器
61负载
71电抗器
72二极管
73可变电阻
74电抗器
具体实施例方式以下，根据
本发明的实施方式。图1是包括本发明的半导体元件驱动电路13在内的电子电路1的一个实施方式的简要构成的图。电子电路1例如能够作为电动汽车用逆变器的功率模块的一部分而被采用。电子电路1包括IGBT 11、FWD 12和半导体元件驱动电路13。
IGBT 11与FWD 12并联连接且输入输出方向反向地连接。IGBT 11具有使逆变器的电源线等的母线接通或阻断的切换功能，该IGBT 11根据被施加在IGBT 11的栅极上的驱动信号的电压的大小、即栅极-发射极间的电压Vge的大小导通或断开。半导体元件驱动电路13通过改变IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge，来控制 IGBT 11的导通及断开。半导体元件驱动电路13具有栅极电阻21、电压源22、di/dt反馈部23。电压源22输出栅极电压Vgg，其一端连接在IGBT 11的发射极上，其另一端经由栅极电阻21连接在IGBT 11的栅极上。S卩，栅极电阻21的一端连接在电压源22上，另一端连接在IGBT 11的栅极上。栅极电阻21具有根据其电阻值Rg对导通或断开的过渡期中出现的IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge的振动进行抑制、以及调整IGBT 11的切换速度等的功能。当电压源22的栅极电压Vgg为高值(HIGH)时，IGBT 11的栅极-发射极间的电压 Vge也成为高值(HIGH)，于是IGBT 11导通。另一方面，当电压源22的栅极电压Vgg为低值(LOW)时，IGBTll的栅极-发射极间的电压Vge也成为低值(LOW)，于是IGBT 11断开。di/dt反馈部23根据在连接有IGBT 11的母线中流过的电流的时间变化生成反馈电压Vfb，并作为IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge的一部分、即驱动信号的电压的一部分进行相加。具体地说，这里，di/dt反馈部23根据电子电路1的主电流、即IGBT 11的集电极电流Ic的时间变化、即时间微分值dlc/dt生成反馈电压Vfb，并作为IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge的一部分进行相加。这样的di/dt反馈部23的动作是应用本发明的动作，以下，为了与以往的其他动作相区别，特别地称为“di/dt内反馈动作”。以下，对“di/dt内反馈动作”进行更详细的说明。式子(1)至式子(11)是说明“di/dt内反馈动作”的原理的式子。式子1Ice_sat = gm - (Vge-Vlh) (1)在式子(1)中，Ice表示IGBT 11的集电极-发射极间的电流(与集电极电流Ic 等价)。gm表示IGBT 11的互导。Vge表示IGBTll的栅极-发射极间的电压。VTh表示IGBT 11的阈值电压。从式子(1)能够得到式子(2)。式子2
Γ n d]cedvge dgra=gni- I rft “ \e(2)如式子⑵所示，IGBT 11的集电极-发射极间的电流Ice的时间变化依存于IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge、和IGBT 11的互导gm的时间变化。IGBT 11的互导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 _表示发射极注入效率。μ ns表示通道内电子的平均迁移率。 从式子(3)能够得到式子(4)。式子4
dgm — 1 Fns . Cas dVge dt 1 — CCp^p LcJ1 dt(4)
这里，如式子( 所示那样定义K。式子5
1 ^ns 、
K=^I-· —；--( 5 )
-(Λ·ρΝρ Lcft
从以上的式子( 至式子(5)能够得到式子(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的栅极-发射极间的电压Vge如式子(7)所示。式子7Vge = Vbias+VFB-Rg · ig (7)在式子(7)中，Vfb表示反馈电压。这里，为了简单化，使栅极电阻Rg = 0，则从式子(7)能够得到式子⑶。式子8^ = dV_s〔二 0) — ^ = ^(8)
dt dt dl* rif从式子⑶能够得到式子(9)。式子9
r n dire ^d￥rB, 、-i^ = Ζ-ΕΙ '( 9 )
dt 5 dt从式子(9)可知，增益(大小)与2gm成比例，IGBT 11的集电极-发射极间的电流Ice (与集电极电流Ic等价)的时间变化、即时间微分值dlc/dt与反馈电压FB成比例。这里，若使与IGBT 11的集电极-发射极间的电流Ice(与集电极电流Ic等价)的时间变化、即时间微分值dlc/dt成比例的电压作为反馈电压Vfb反馈，则能够得到式子(10) 及式子(11)。式子10
_T.direVfb = Again * —( ο)
式子11
权利要求
1.一种半导体元件的驱动装置(13)，所述半导体元件具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压(Vge)而导通或断开的切换功能并且集电极与发射极被插入到母线中，所述半导体元件的驱动装置(13)为了通过所述半导体元件(11)使所述母线导通或阻断，向所述半导体元件(11)的栅极供给所述驱动信号，其特征在于，所述半导体元件的驱动装置(1 包括反馈部(23)，该反馈部在所述半导体元件 (11)从导通切换至断开时，根据所述半导体元件(11)的集电极电流(Ic)的时间变化(dl/ dt)生成反馈电压(Vfe)，并将所述反馈电压(Vfe)作为所述驱动信号的电压(Vge)的一部分进行施加。
2.如权利要求1所述的半导体元件的驱动装置，其特征在于，所述反馈部将所述半导体元件(11)的集电极电流(Ic)的所述时间变化(dl/dt) 暂时蓄积在寄生于所述半导体元件(11)的发射极的浮地电感中，然后根据从所述浮地电感放出的电压能量生成所述反馈电压(Vfe)。
3.一种半导体元件(11)的驱动方法，所述半导体元件(11)具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压(Vge)导通或断开的切换功能并且集电极与发射极被插入在母线中，所述驱动方法的特征在于，在所述半导体元件(11)从导通切换至断开时，根据所述半导体元件(11)的集电极电流(Ic)的时间变化(dl/dt)生成反馈电压(Vfe)，并将所述反馈电压(Vfe)作为所述驱动信号的电压(Vge)的一部分进行施加。
全文摘要
本发明提供半导体元件的驱动装置及方法。半导体元件(11)具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压(Vge)导通或断开的切换功能，该半导体元件(11)如下被驱动，即在半导体元件(11)从导通切换至断开时，根据半导体元件(11)的集电极电流(Ic)的时间变化(dI/dt)生成反馈电压(VFE)，并将反馈电压(VFE)作为驱动信号的电压(Vge)的一部分进行施加。
文档编号H03K17/56GK102377418SQ20111023012
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者塚田能成 申请人:本田技研工业株式会社