专利名称：控制触头驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括电流驱动器单元，适应于提供参考电流用于上拉(pull-up)和/或下推(push-down)功率半导体装置的控制触头；以及电流分配器单元，适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的控制触头。本发明还涉及包括控制触头驱动系统和多个功率半导体装置的功率半导体模块。本发明还涉及包括多个更改的功率半导体模块的功率半导体阵列以及用于操作控制触头驱动系统、功率半导体模块和/或更改的功率半导体模块的方法。
背景技术：
功率半导体装置(例如绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BiopolarTransistor, IGBT)、反向导通绝缘栅双极晶体管(reverse conducting IGBT)和/或双模式绝缘栅晶体管(B1-mode insulated Gate Transistor, BIGT))通常用作用于非常高的电流和电压的快速开关装置。由于它们的优异的电性质和相对简单的驱动，IGBT的普及上升。它们广泛用在诸如电动机控制设备(例如用于混合和电车、机车、船推进、工业设备、机器等)、DC电传送例如DC-AC转换器、风力和太阳能电力转换器和同步器、电力网络余弦φ补偿器、应急电力供应等应用。多个IBGT裸片(die)通常并联连接地封装在模块中，以增加它们的开关能力，如现有技术图1中所示。在栅极的这样的并联连接中出现的问题在于栅极中的缺陷以及特别地栅极和发射极之间的短路连接使模块中的所有IGBT装置不可控制。
发明内容
因此，本发明的目标是提供用于驱动多个功率半导体装置(例如IGBT)的控制触头的系统，以使功率半导体装置的控制触头和主触头(main contact)之间(例如IGBT的栅极和发射极之间)的短路不影响整个系统的整体稳定性和/或可控性。此目标由独立权利要求实现。另外优选的实施例在从属权利要求中提供。因此，由用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统来达成该目标，该控制触头驱动系统包括电流驱动器单元，适应于提供参考电流用于上拉和/或下推功率半导体装置的控制触头；以及电流分配器单元，适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的控制触头，其中电流分配器单元包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜(current mirror)以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜,所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比第一电压源更低的电压的第二电压源，相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，并且上拉晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流并且下推晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收下推电流。因此本发明的基本思想是提供电流反射镜用于另外放大和/或分配电流来开关多个功率半导体装置的个体控制触头，例如放大和/或分配正和负电流脉冲到多裸片IGBT模块的栅极。这样，控制触头驱动系统提供用于驱动多于单个控制触头和/或多于单个功率半导体装置。由于个别地驱动功率半导体装置和/或功率半导体装置的控制触头，所以控制触头的失效(例如IGBT功率半导体装置的栅极和发射极之间的短路连接)不使所有功率半导体装置不可控制。控制触头驱动系统和/或电流驱动器单元可以实现为电路，例如混合或甚至更好的集成电路，并且优选地囊封在功率半导体模块内，因此与受控的装置(例如晶体管)紧密接触。控制触头驱动系统通过提供相等的驱动电流到功率半导体装置的控制触头，从而提供所连接(例如，并联连接)的所有功率半导体装置的相等的开关过程，因此避免如由现有技术已知的来自使用个体控制触头驱动器的失配。优选控制触头驱动系统内使用的所有电气装置配备有“良好”匹配的电性质并且放置在相等的环境(在温度、电源电压等方面)中，以使用于功率半导体装置的控制触头的相应驱动电流也“良好”匹配。在优选实施例中，作为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导通绝缘栅双极晶体管(reverse conducting IGBT)、双模式绝缘栅晶体管(BIGT)和/或由现有技术已知的任何其它功率MOS提供功率半导体装置。优选作为栅极提供控制触头，作为发射极提供第一主触头和/或作为功率半导体装置(例如IGBT)的集电极提供第二主触头。优选第一电压源提供大于零的电压和/或第二电压源提供小于零的电压或相对于功率半导体装置的主触头(例如接地)为零的电压。在另外的实施例中，用于上拉的电流或上拉电流包括大于零的电流和/或用于下推的电流或下推电流包括小于零的电流。关于上拉晶体管和/或下推晶体管，控制触头优选包括栅极，第一主触头包括源极和/或第二主触头包括相应晶体管的漏极。更优选地，作为场效应晶体管提供上述晶体管。在另外优选的实施例中，上拉电流反射镜包括基于PMOS的上拉参考晶体管并且下推电流反射镜包括基于NMOS的下推参考晶体管，上拉参考晶体管的第一主触头连接到所有上拉晶体管的第一主触头并且下推参考晶体管的第一主触头连接到所有下推晶体管的第一主触头，上拉参考晶体管的控制触头连接到上拉晶体管的控制触头并且下推参考晶体管的控制触头连接到下推晶体管的控制触头，并且上拉参考晶体管的第二主触头连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流并且下推参考晶体管的第二主触头连接到电流驱动器单元用于接收下推电流。因此，根据本实施例，电流(优选来自电流驱动器单元的电流脉冲)施加到参考晶体管，参考晶体管优选地处于“二极管”连接用于限定上拉晶体管和/或下推晶体管的偏置电压。在特别优选的实施例中，控制触头驱动系统包括电流传感器，用于检测功率半导体装置的控制触头的故障，其中电流传感器连接到上拉晶体管的第一主触头和/或下推晶体管的第一主触头。由于电流传感器优选适应于测量向电流分配器单元流动的电流值并且在该值大于预定义的阈值的情况下激活警报等，所以这样的实施例有利于检测短路的栅极。在另外优选的实施例中，上拉电流反射镜包括多个基于PMOS的电压限制装置并且下推电流反射镜包括多个基于NMOS的电压限制装置，至少一个电压限制装置与上拉晶体管或下推晶体管和下推或上拉晶体管之间的其主触头串联连接。优选作为级联晶体管(cascoding transistor)提供该电压限制装置。提供这样的电压限制装置或级联晶体管允许限制直接连接到功率半导体装置的晶体管两端的电压并且使用低压CMOS技术用于相对高的操作电压。另外由包括如上所述的控制触头驱动系统和多个功率半导体装置的功率半导体模块来达成本发明的目标，其中相应功率半导体装置的控制触头连接到相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头。在另一实施例中，功率半导体装置以组来安排以使相应组的功率半导体装置的第一主触头全部并联连接并且以使相应组的功率半导体装置的第二主触头全部并联连接。在另外的实施例中，至少第一组的第二主触头连接到第二组的第一主触头。安排这样的组中的功率半导体装置允许开关更高的电压和/或电流。根据另一实施例，多个功率半导体装置和电流分配器单元接合到层压衬底，其中电流分配器单元优选以CMOS或双极技术实现并安装在IGBT模块衬底上。在另外特别优选的实施例中，作为IGBT提供功率半导体装置。在另一实施例中，电流分配器单元可以安排在功率半导体模块的外部。另外由包括多个更改的功率半导体模块的功率半导体阵列来达成本发明的目标，该更改的功率半导体模块包括多个功率半导体装置；电流驱动器单元，适应于提供参考电流用于上拉和/或下推功率半导体装置的控制触头；以及更改的电流分配器单元，适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体模块，其中每个更改的功率半导体模块包括多个功率半导体装置以及适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的电流分配器单元，其中电流分配器单元包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜，所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比第一电压源更低的电压的第二电压源，相应上拉晶体管的第二主触头和相应`下推晶体管的第二主触头与功率半导体装置的相应控制触头连接在一起，上拉晶体管的控制触头全部并联连接到更改的电流分配器单元用于接收上拉电流并且下推晶体管的控制触头全部并联连接到更改的电流分配器单元用于接收下推电流，更改的电流分配器单元包括多个基于PMOS的晶体管和多个基于NMOS的晶体管，其中基于PMOS的晶体管的控制触头一起连接到电流驱动器单元用于接收下推电流并且基于NMOS的晶体管的控制触头一起连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流，相应基于PMOS的晶体管的第二主触头耦合到相应更改的功率半导体模块用于提供上拉电流并且耦合到相应更改的功率半导体模块的第二主触头用于提供下推电流。本领域技术人员从上述控制触头驱动系统和/或功率半导体模块可推导功率半导体阵列的另外的实施例和优势。另外由用于操作上述控制触头驱动系统、上述功率半导体模块和/或功率半导体阵列的方法来达成本发明的目标，其中电流驱动器单元交替提供正的矩形电流作为上拉参考电流，接着的是作为下推参考电流的负的矩形电流。提供这样的电流允许“接通(switching on)”或“切断(switching off )”相应功率半导体装置的控制触头。根据另一实施例，正的矩形电流包括&和t2之间的矩形电流I1，接着的是t2和&之间的矩形电流I2，接着的是t3和t4之间的矩形电流I3，其中I1 > I3 > I2并且t4 ^t3 ^t2 ^t1,并且该负的矩形电流包括t6和t7之间的矩形电流15，接着的是t7和t8之间的矩形电流I6，接着的是&和^之间的矩形电流I5，其中I5彡I6并且t9彡t8彡t7彡t6。使用接在彼此之后的这样的矩形电流改进了用于接通或切断功率半导体装置的控制触头的开关算法。在另一实施例中，检测故障的步骤包括在14和15之间提供矩形电流I4，其中I2彡I4并且t5彡t4，和/或通过在t9和t1(l之间提供矩形电流I7，其中I7彡I5并且t10彡t9。因此，在上述和t4之间的“过渡阶段(transition phase)”之后，具有较低的值I4的“检测阶段(detection phase)”接在t4和&之间以节省电力，其中I4优选流经参考晶体管和电压源。相同的应用于^和t1(l。
在下文中将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，本发明并不限制于该实施例的示例。图1示出并联的多个IGBT的现有技术连接，
图2示出如图1中所示的并联IGBT与IGBT驱动器串联连接的现有技术连接，
图3示出从现有技术已知的所谓密勒效应(Miller effect),
图4示出如从现有技术已知的栅极-发射极电压和电流的简化电路和波形，
图5示出如从现有技术已知的个体栅极驱动，
图6示出如从现有技术已知的驱动器之间的技术公差所引起的失配，
图7示出如从现有技术已知的过渡阶段期间的三个电流电平， 图8示出根据本发明的优 选实施例的电流驱动模式的实施例，
图9示出根据本发明的优选实施例的控制触头驱动系统，
图10示出根据本发明的优选实施例的功率半导体模块，
图11示出根据本发明的优选实施例的安装在包括控制触头驱动系统的衬底上的4个IGBT和2个续流二极管的可能放置，
图12示出根据本发明的优选实施例的功率半导体阵列，
图13示出根据本发明的优选实施例的用于操作控制触头驱动系统的优选上拉电流和下推电流，
图14示出根据本发明的优选实施例的电流传感器，
图15示出根据本发明的优选实施例的电流分配器单元的另外优选的实施例，以及图16到图18以及图20到图22分别示出用根据如图15和图19中所示的本发明的优选实施例的控制触头驱动系统实现的仿真结果，以及
图19示出包括控制触头驱动系统的功率半导体模块的实现的另一优选实施例。
具体实施例方式当使用囊封在模块中的IGBT的并联连接来提高开关能力时，如图1所示，从现有技术已知的问题是栅极缺陷并且特别地栅极和发射极之间的短路连接使模块中的所有IGBT装置不可控制。为了改进阻断电压能力，可按串联连接来连接更多模块(如现有技术图2中所示)。在IGBT中的缺陷的情况下，整个系统应该用略有减少的电流能力使用剩下的IGBT装置来继续操作或关闭来自对应行的所有IGBT装置并且分别用略有减少的阻断电压能力来继续操作。然而，IGBT的栅极的并联连接使这样的特征不可能:一个栅极中的短路连接引起对应行中的所有其它栅极的电压阻断。现有技术教导用于解决上述问题的不同方案。在第一方案内，可以由在接通和切断以及切断和接通IGBT装置之间的过渡阶段外的栅极电流的存在来检测短路的栅极。然而，用这样的组驱动无法检测有缺陷的栅极的精确数量。在一些情况下，有缺陷的栅极的数量是必须知道的重要信息。另一问题是集电极与栅极之间的电容耦合(所谓密勒效应)，如现有技术图3中所示。电容耦合引起上升和下降信号边沿中的电压降并且延迟换向(commutation)，如图中所示的。由于过渡阶段期间的电流指数减少，所以用限制开关速度的栅极电阻器的现有技术电压模式控制对集电极栅极电容耦合有减少的抗扰性。IGBT的栅极起到电容器的作用，而两个电阻器可用于栅极的充电和放电。最终，一个电阻器可用于两个过程，如现有技术图4中所示。该图示出栅极发射极电压和电流的简化电路和波形。栅极电压和电流遵从式子V(I) = V0 * (1 - e·齡>’ l(t) = I0 * e-義。如从图4可
以看出的，并且也由式子所示的，栅极电压指数上升，而栅极电流指数下降并且在某个值之后，栅极可变得对于通过反向集电极栅极耦合推动的电流是敏感的。现有技术尝试通过如现有技术图5中所示的个体栅极驱动来解决此问题，其中每个栅极具有专用栅极驱动器。在一个栅极失效的情况下，剩下的IGBT装置将继续正确地操作。然而，此配置的问题在于栅极驱动器之间的失配栅极驱动器通常包括复杂的容纳大量部件的专用集成电路(ASIC)。因此，技术公差常常导致如现有技术图6中所示的驱动器之间的大的失配。这样的失配导致驱动器的输入和输出之间的不同延迟，这意味着一些IGBT可比其它IGBT更早导通，从而在某个瞬间承担整个负载。由于这些装置的持续过载，这一缺点减少了整个系统的可靠性。另外的问题是由于大量的栅极驱动器和所要求的对应连接而增加的价格。在另外的方案中，电流模式的应用减少了上述密勒效应的负面影响。然而，用此方案也存在驱动器之间的失配的问题。另一方式是使用可变电流来实现改进的开关，例如h和七4之间的过渡阶段期间的三个电流电平，如现有技术图7中所示，用于在h中的截止状态到t4中的导通状态之间开关IGBT。在tl和t2之间的初始瞬间，栅极驱动器向栅极推动更高电流I1用于更快地达到栅极阈值电压VTH。在此值之后，IGBT开始导通并且电流可减小到值I2来限制开关速度并且分别保护系统遭受过压(在有电感性负载的情况下)。当栅极电压达到值V3时，其中反向耦合增加它的影响(即来自栅极的电容性灌电流)，然后栅极电流可增加到值I3来补偿最后瞬间期间的电流损失。本发明提出使用常数电流(代替电压)来控制IGBT的栅极的电流驱动器单元1，由此取决于操作以不同方向来施加电流，例如用于打开或关闭IGBT。图8示出由电流驱动器单元I提供的电流的实施例。如可以看出的，使用矩形电流脉冲(正电流脉冲和负电流脉冲)。这两个电流源提供准确的电流用于上拉和下推栅极。使用这样的电流驱动器单元I，栅极电压以常数速度线性上升。换句话说，施加到栅极的电流引起栅极电容线性上升或分别下降电压。上升或下降电压的速度取决于栅极电容以及上拉和下推电流的值并且可以通过改变这些电流而控制。在理想情况中，充电和放电电流具有常数值并且仅存在于过渡阶段期间。当栅极电压达到接近电源电压的值时，然后电流停止流动。因此，常数电流的施加减少了密勒效应，即集电极和栅极之间的耦合效应。因此非常可能具有更多的电流源和开关来提供如下文在图13中论述的电流形状。本发明的主要思想是使用构成电流分配器单元3的两个电流反射镜2来另外放大和/或分配多裸片IGBT模块的栅极的电流脉冲。以这样的方式，控制触头驱动系统可以驱动多于一个栅极和/或IGBT装置。电流反射镜2可以实现为电路，例如，实现为混合或集成电路，并且可以封装在IGBT模块中，优选接近受控IGBT而提供。图9示出上述本发明的优选实施例。来自外部IGBT驱动器、电流驱动器单元I的电流脉冲施加到基于NMOS的以及基于PMOS的参考晶体管丽I和MPl。参考晶体管以“二极管”连接并且它们限定晶体管丽2、丽3等以及MP2、MP3等的偏置电压。因为在此情况下漏极-源极电压Vds通常大于或等于饱和电压
权利要求
1.一种用于多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括适应于提供参考电流用于上拉和/或下推所述多个功率半导体装置的控制触头的电流驱动器单元(I)以及适应于放大和/或分配所述参考电流到所述功率半导体装置的所述控制触头的电流分配器单元(3)，其中 所述电流分配器单元(3)包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜(2)以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜(2)， 所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比所述第一电压源更低的电压的第二电压源， 相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，以及 所述上拉晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述电流驱动器单元用于接收上拉电流并且所述下推晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述电流驱动器单元用于接收下推电流。
2.根据以前的权利要求所述的控制触头驱动系统，其中所述上拉电流反射镜(2)包括基于PMOS的上拉参考晶体管并且所述下推电流反射镜(2)包括基于NMOS的下推参考晶体管， 所述上拉参考晶体管的所述第一主触头连接到所有所述上拉晶体管的第一主触头并且所述下推参考晶体管的所述第一主触头连接到所有所述下推晶体管的第一主触头， 所述上拉参考晶体管的所述控制触头连接到所述上拉晶体管的所述控制触头并且所述下推参考晶体管的所述控制触头连接到所述下推晶体管的所述控制触头，以及 所述上拉参考晶体管的所述第二主触头连接到所述电流驱动器单元用于接收所述上拉电流，并且所述下 推参考晶体管的所述第二主触头连接到所述电流驱动器单元用于接收所述下推电流。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统，包括电流传感器(6)，用于检测功率半导体装置的控制触头的故障，其中所述电流传感器(6)连接到所述上拉晶体管的所述第一主触头和/或所述下推晶体管的所述第一主触头。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统，其中所述上拉电流反射镜(2)包括多个基于PMOS的电压限制装置并且所述下推电流反射镜(2)包括多个基于NMOS的电压限制装置，至少一个电压限制装置与所述上拉晶体管或所述下推晶体管以及所述下推晶体管或所述上拉晶体管之间的其主触头串联连接。
5.一种功率半导体模块(4)，包括根据前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统和多个功率半导体装置，其中相应功率半导体装置的所述控制触头连接到相应上拉晶体管的所述第二主触头和相应下推晶体管的所述第二主触头。
6.根据以前的权利要求所述的功率半导体模块(4)，其中所述功率半导体装置以组来安排，以使相应组的所述功率半导体装置的所述第一主触头全部并联连接并且以使所述相应组的所述功率半导体装置的所述第二主触头全部并联连接。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(4)，其中至少第一组的所述第二主触头连接到第二组的所述第一主触头。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(4)，其中至少所述多个功率半导体装置和所述电流分配器单元接合到层压衬底。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(4)，其中作为IGBT提供所述功率半导体装置。
10.一种包括多个更改的功率半导体模块的功率半导体阵列，所述多个更改的功率半导体模块包括多个功率半导体装置，适应于提供参考电流用于上拉和/或下推所述功率半导体装置的控制触头的电流驱动器单元(1)，以及适应于放大和/或分配所述参考电流到所述功率半导体模块(4)的更改的电流分配器单元(3)，其中 所述更改的功率半导体模块每个包括多个功率半导体装置以及适应于放大和/或分配所述参考电流到所述功率半导体装置的电流分配器单元(3 )，其中 所述电流分配器单元(3)包含有包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜(2)以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜(2)， 所有上拉晶体管的第一主触头并联连接到第一电压源并且所有下推晶体管的第一主触头并联连接到具有比所述第一电压源更低的电压的第二电压源， 相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头与功率半导体装置的相应控制触头连接在一起， 所述上拉晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述更改的电流分配器单元用于接收上拉电流并且所述下推晶体管的所述控制触头全部并联连接到所述更改的电流分配器单元用于接收下推电流， 所述更改的电流分配器单元(5)包括多个基于PMOS的晶体管和多个基于NMOS的晶体管，其中 所述基于PMOS的晶体管的所述控制触头一起连接至所述电流驱动器单元用于接收所述下推电流并且所述基于NMOS的晶体管的所述控制触头一起连接至所述电流驱动器单元用于接收所述上拉电流， 相应基于PMOS的晶体管的所述第二主触头耦合到相应更改的功率半导体模块用于提供所述上拉电流以及耦合到相应更改的功率半导体模块的所述第二主触头用于提供所述下推电流。
11.一种操作根据相应前述权利要求中的任一项所述的控制触头驱动系统、功率半导体模块(4)和/或功率半导体阵列的方法，其中所述电流驱动器单元(I)交替提供正的矩形电流作为上拉参考电流，接着的是作为下推参考电流的负的矩形电流。
12.根据以前的权利要求所述的方法，其中所述正的矩形电流包括h和t2之间的矩形电流I1，接着的是t2和&之间的矩形电流I2，接着的是t3和^之间的矩形电流I3，其中I1^ I3 ^ I2并且t4彡t3彡t2彡h，并且所述负的矩形电流包括t6和t7之间的矩形电流I5，接着的是t7和〖8之间的矩形电流I6，接着的是t8和〖9之间的矩形电流I5，其中I5 ^ I6并且t9彡t8彡t7彡t6。
13.根据以前的权利要求并根据权利要求3所述的方法，包括通过在t4和t5之间提供矩形电流I4其中I2彡I4并且t5彡t4，和/或通过在^和t1Q之间提供矩形电流I7，其中I7彡I5并且t10彡t9的检测故障的步骤。
全文摘要
本发明涉及多个功率半导体装置的控制触头驱动系统，包括适应于提供参考电流用于上拉和/或下推功率半导体装置的控制触头的电流驱动器单元(1)，以及适应于放大和/或分配参考电流到功率半导体装置的控制触头的电流分配器单元(3)，其中电流分配器单元(3)包含包括多个基于PMOS的晶体管的上拉电流反射镜(2)以及包括多个基于NMOS的晶体管的下推电流反射镜(2)，相应上拉晶体管的第二主触头和相应下推晶体管的第二主触头连接在一起并且适应于提供电流到功率半导体装置的相应控制触头，并且上拉晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收上拉电流并且下推晶体管的控制触头全部并联连接到电流驱动器单元用于接收下推电流。
文档编号H03K17/567GK103078616SQ20121041515
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者N.斯拉沃夫, R.施内尔 申请人:Abb 技术有限公司