Rc-igbt开关脉冲控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本文所公开的发明涉及功率半导体装置。更精确的是，其涉及一种控制反向导通绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT)，特别是双模式绝缘栅晶体管(BIGT)的方法以及用于控制这类RC-1GBT的控制器。
【背景技术】
[0002]IGBT广泛用于包含电压源转换器的高功率开关设备，比如高电压DC(HVDC)设备。在这类应用中，IGBT通常与并联布置并且沿反向晶体管方向而导电(“续流二极管”)的二极管组合。
[0003]RC-1GBT是其中晶体管与沿反向晶体管方向导电的二极管组合的芯片。在这个概念内已经提出并且使用许多芯片设计，其也已经进一步发展为双模式绝缘栅晶体管(BIGT)。如本文所使用的，术语RC-1GBT涵盖常规的RC-1GBT和BIGT。RC-1GBT能够操作在也称为晶体管模式或正向模式的IGBT模式(正集电极-发射极电流)下，以及操作在也称为反向模式的二极管模式(负集电极-发射极电流)下。然而，二极管模式下的阳极效率取决于栅极电压。当栅极关断时，二极管模式下的阳极效率为高，而当栅极导通时阳极效率降低。BIGT相对于其他RC-1GBT设计的特别优点在于它们在IGBT和二极管模式下的软关断行为。也似乎有可能比在更早RC-1GBT技术中进一步降低在BIGT中反向恢复损耗。
[0004]在由Rahimo 等人于 Proceedings Of 20th Internat1nal Symposium on PowerSemiconductor Devices&Ics (18-22 May 2008)上名为 “A high current 3300V moduleemploying reverse conducting IGBT setting a new benchmark in output powercapability”的文章中讨论了 RC-1GBT中栅极-发射极电压控制的方面。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于以这种方式控制RC-1GBT对的栅极-发射极电压，使得改进在开关循环中的整体能量效率。RC-1GBT对例如可布置在电压源转换器中的全桥(诸如Η桥)或半桥中。
[0006]因此，本发明提供了一种具有独立权利要求中所阐述的特征的控制方法和控制器。本发明的有利实施例由从属权利要求限定。
[0007]因此，根据第一方面，提供了一种控制串联电连接的第一和第二反向导通绝缘栅双极晶体管(RC-1GBT)的方法。第一 RC-1GBT的集电极电连接到直流(DC)电压源的正极，并且第二 RC-1GBT的发射极电连接到DC电压源的负极。此外，第一 RC-1GBT的发射极电连接到第二RC-1GBT的集电极以形成交流(AC)端子。方法包括将栅极电压应用到第一和第二RC-1GBT的相应的栅极。基于AC端子上输出电流的幅度和方向以及基于为相应的RC-1GBT指示目标导通和关断时刻的命令信号(Cmd)而控制栅极电压。
[0008]根据第二方面，提供了一种用于控制第一和第二 RC-1GBT的控制器。第一和第二RC-1GBT串联电连接并且布置，使得第一 RC-1GBT的集电极电连接到DC电压源的正极，并且第二 RC-1GBT的发射极电连接到DC电压源的负极。第一 RC-1GBT的发射极电连接到第二 RC-1GBT的集电极以形成AC端子，并且控制器连接到布置成测量从AC端子流出的输出电流的定向电流计。控制器包括适用于接收为相应的RC-1GBT指示目标导通和关断时刻的命令信号的输入电路。控制器也包括适用于从电流计接收关于AC端子上所测输出电流的幅度和方向的信息的处理器。处理器进一步适用于基于所接收到的命令信号以及所接收到的关于所测输出电流的幅度和方向的信息而确定用于应用到第一和第二 RC-1GBT的相应的栅极的栅极电压。控制器进一步包括连接到第一和第二 RC-1GBT的相应的栅极的输出电路，其中输出电路适用于将所确定的栅极电压应用到第一和第二 RC-1GBT的相应的栅极。
[0009]根据第三方面，提供了一种用于在AC和DC电流之间转换的电压源转换器。电压源转换器包括所连接的RC-1GBT的布置，至少包括串联电连接的第一和第二 RC-1GBT，并且被布置，使得第一 RC-1GBT的集电极电连接到DC电压源的正极，以及第二 RC-1GBT的发射极电连接到DC电压源的负极。第一 RC-1GBT的发射极电连接到第二 RC-1GBT的集电极以形成AC端子。电压源转换器进一步包括按照本发明第二方面的控制器。
[0010]根据第四方面，提供了一种计算机程序产品。计算机程序产品包括具有指令的数据载体，用于引起连接到第一和第二 RC-1GBT的可编程处理单元执行根据本发明第一方面的方法。
[0011]本发明的实施例是有利的。因为启用模式相关的开关控制。除了命令信号之外，基于AC端子处的输出电流的方向而控制RC-1GBT的开关还允许当操作在二极管模式下时降低应用到RC-1GBT的栅极电压以便降低RC-1GBT的电阻，并且因此降低导电损耗。此外，在在二极管模式下的RC-1GBT将要关断时应用高电平的栅极电压可最小化所存储的电荷并且降低反向恢复损耗。也通过基于输出电流的幅度而控制开关，可降低弄错具有低幅度的输出电流的方向的风险。本发明因此提供了以安全和可靠方式降低RC-1GBT中导通和开关损耗的可能性。
[0012]如在本公开的实施例的某一个中，响应于具有大幅度、即在所选电流幅度阈值之上的输出电流而省略RC-1GBT中的一个的至少某一开关有利地允许降低开关损耗。
[0013]将理解，上面所涉及的DC电压源可以是高电压直流(HVDC)电功率传输系统、光伏元件或存储元件。此外，第一和第二 RC-1GBT可包含在诸如半桥配置的单元配置中，或者包含在全桥配置中，并且电连接到存储元件。也将理解，如果第一和第二 RC-1GBT包含在级联单元的支路的单元中，AC端子上输出电流的测量可在支路的任何地方由测量流过支路的电流的定向电流计获得。电流计可供应一个或多个控制器关于输出电流的信息。因此例如在包括若干在转换器的AC端子与DC端子之间连接的多个级联单元的支路的HVDC转换器中，有可能测量每个支路的支路电流并且将其作为关于输出电流的信息而提供到多个控制器，其根据本公开不同实施例，向多个单元提供栅极控制。可在支线(arm)中认为合适的诸如接近支线电抗器的位置处测量支路电流。因此支路电流无需接近RC-1GBT而在附近测量。
[0014]第一和第二 RC-1GBT可以是BIGT对。
[0015]也将理解，可由控制单元产生命令信号，其也可适用于基于从定向电流计所接收到信息而确定来自第一和第二 RC-1GBT的输出电流的幅度和方向，并且适用于将输出电流的方向和幅度递送到控制器。
[0016]如上所述，根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制可编程处理单元的计算机可读指令。这类指令可以以包括存储指令的计算机可读媒介的计算机程序产品的形式而分布。特别地是，指令可装载在负责向一个或若干RC-1GBT供应高电平和低电平栅极电压的栅极单元中FPGA或微控制器中。
[0017]在研究以下详细公开、附图和所附权利要求时，本发明的其他目的、特征和优点将显而易见。本领域技术人员认识到，即使在不同权利要求中所引用的，本发明的不同特征能够被组合在除了在以下描述的那些之外的实施例中。
【附图说明】
[0018]通过本发明实施例以下的说明性的和非限制的详细描述将更好地理解本发明的上面以及附加的目的、特征和优点。将参考附图，在其上:
[0019]图1是图示在半桥配置中两个RC-1GBT的示意图；
[0020]图2和图3是图示根据不同情形和实施例的应用到第一和第二 RC-1GBT的