切換導(dǎo)體器件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)通半導(dǎo)體器件的方法，導(dǎo)通串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件組中的多個(gè)半導(dǎo)體器件的方法，以及用于導(dǎo)通半導(dǎo)體器件的電路。本發(fā)明還涉及關(guān)斷多個(gè)半導(dǎo)體器件的方法，關(guān)斷串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件組中的多個(gè)半導(dǎo)體器件的方法，以及用于關(guān)斷半導(dǎo)體器件的電路。
【背景技術(shù)】
[0002]在輸電網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電力通常被轉(zhuǎn)換成直流(DC)電力用于經(jīng)由架空線路和/或海底電纜傳輸。此轉(zhuǎn)換不需要補(bǔ)償由傳輸線路或電纜所施加的AC電容性負(fù)載的影響，由此減少了線路和/或電纜的每公里成本。從而當(dāng)需要長距離傳輸電力時(shí)，從AC到DC的轉(zhuǎn)換變得具有成本效益。
[0003]從AC到DC的電力轉(zhuǎn)換還用于有必要互連運(yùn)行于不同頻率的AC網(wǎng)絡(luò)的輸電網(wǎng)絡(luò)中。在任何這樣的輸電網(wǎng)絡(luò)中，在AC和DC電力的每個(gè)交接處均需要轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)換。
[0004]電壓源轉(zhuǎn)換器通常采用開關(guān)來執(zhí)行為將AC電力轉(zhuǎn)換到DC電力所必需的整流和逆變過程，或進(jìn)行相反過程。這些開關(guān)可以包括半導(dǎo)體器件，例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，以改進(jìn)電壓源轉(zhuǎn)換器的效率和開關(guān)能力。然而，相對于在高壓直流(HVDC)電力傳輸中使用的高壓，這樣的半導(dǎo)體器件的額定低壓需要使用成串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)的多個(gè)半導(dǎo)體器件，使得串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件的組合額定電壓能夠支持這樣的高壓。
[0005]當(dāng)在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)之間切換時(shí)，重要的是每個(gè)串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體器件同時(shí)切換，使得在電壓源轉(zhuǎn)換器運(yùn)行期間的任何時(shí)候，施加到半導(dǎo)體器件兩端的電壓不超過其單個(gè)額定電壓。所以存在切換得太早或太遲的半導(dǎo)體器件將承受超過其單個(gè)額定電壓的施加電壓的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]W097/43832公開了一種控制IGBT的關(guān)斷的方法，以提供對切換串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)中的單個(gè)IGBT的時(shí)間的控制。該方法包括以下步驟:在接收到關(guān)斷信號時(shí)，施加一電壓到所述IGBT的柵極，該電壓的水平保持電流流過所述IGBT同時(shí)允許所述IGBT兩端的電壓升高到預(yù)定水平，并且在預(yù)定時(shí)間段以后，施加電壓功能(voltage funct1n)到所述IGBT的柵極來關(guān)斷所述IGBT。
[0007]W02008/032113涉及用于例如為IGBT和MOSFET的MOS柵控功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備的控制方法和電路。在該控制方法中，半導(dǎo)體開關(guān)器件兩端的電壓變化大致跟蹤所述二極管兩端的電壓變化，以避免電壓過沖。
[0008]通過在每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端和集電極端之間連接瞬變電壓抑制器(TVS)，可以保護(hù)每個(gè)半導(dǎo)體器件免受過電壓導(dǎo)致的損害。當(dāng)集電極端和發(fā)射極端之間的電壓(即集電極-發(fā)射極電壓)超過TVS開始導(dǎo)通的電壓時(shí)，電流將從集電極端流到柵極端，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，因此限制了過電壓的程度。
[0009]然而，上面并沒有關(guān)注電壓如何在串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件之間分配，并且因此單個(gè)半導(dǎo)體器件仍然可能承受超過其單個(gè)額定電壓的外加電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通方法，所述半導(dǎo)體器件包括柵極端、集電極端和發(fā)射極端，該方法包括步驟:
[0011](i)在接收到導(dǎo)通信號時(shí)，施加電壓到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端來將所述半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓降低到第一預(yù)定電壓平臺水平，并且保持該電壓至所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端以預(yù)定時(shí)間段；
[0012](ii)在所述預(yù)定時(shí)間段之后，控制施加到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端的電壓來以變化的斜率改變所述集電極-發(fā)射極電壓，直到所述集電極-發(fā)射極電壓達(dá)到預(yù)定電壓水平，對施加到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端用以改變所述集電極-發(fā)射極電壓的電壓進(jìn)行的這種控制包括:
[0013]將所述集電極-發(fā)射極電壓降低到第二預(yù)定電壓平臺水平；
[0014]將所述集電極-發(fā)射極電壓保持在第二預(yù)定電壓平臺水平，以調(diào)節(jié)所述半導(dǎo)體器件在使用中所位于的電路中的電流的變化速率；以及
[0015]將所述集電極-發(fā)射極電壓降低到所述半導(dǎo)體器件處于其導(dǎo)通狀態(tài)的電壓水平；以及
[0016](iii)控制施加到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端的電壓來將所述集電極-發(fā)射極電壓保持在所述預(yù)定電壓水平。
[0017]在執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法之前，所述半導(dǎo)體器件處于關(guān)斷狀態(tài)。所述預(yù)定時(shí)間段被設(shè)置為足夠長以確保在請求對其集電極-發(fā)射極電壓的任何改變來進(jìn)行所述半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通之前，所述半導(dǎo)體器件退出其關(guān)斷狀態(tài)(并且進(jìn)入其激活狀態(tài))，并且所述集電極-發(fā)射極電壓達(dá)到第一預(yù)定電壓平臺水平。這是因?yàn)樵谒顺銎潢P(guān)斷狀態(tài)(并且進(jìn)入其激活狀態(tài))之后，所述半導(dǎo)體器件將很快響應(yīng)于集電極-發(fā)射極電壓的任何被請求的變化，并且，由于對于串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)中不同的半導(dǎo)體器件，退出關(guān)斷狀態(tài)(并進(jìn)入激活狀態(tài))的時(shí)間會因?yàn)橹圃旃疃兓?，所以必須為所述串?lián)堆疊結(jié)構(gòu)中的每個(gè)半導(dǎo)體器件提供足夠的時(shí)間來退出它們各自的關(guān)斷狀態(tài)，使得能夠以可靠的方式同時(shí)導(dǎo)通所述串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)中的所述半導(dǎo)體器件。
[0018]同時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓以變化的緩變率變化允許所述半導(dǎo)體器件來控制使用中其所位于的電路方面，從而限制這樣的電路方面對半導(dǎo)體器件具有的任何不利影響。
[0019]更具體地，所述半導(dǎo)體器件在其集電極-發(fā)射極電壓處于最低值時(shí)被認(rèn)為是被完全導(dǎo)通的，并且在所述半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通期間，可能在所述半導(dǎo)體器件所在的電路的雜散電感兩端會產(chǎn)生殘余電壓。殘余電壓的大小由前述電路中的電流的變化速率確定，并且反過來，殘余電壓的水平影響所述半導(dǎo)體器件的集電極和發(fā)射極間的電壓，這是因?yàn)樗辽俨糠值氐扔谑┘釉谒鲭娐返牡谝欢俗雍偷诙俗娱g的DC電壓減去前述殘余電壓。
[0020]將半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓保持在第二預(yù)定電壓平臺水平(即負(fù)緩變率后跟隨零緩變率)，調(diào)節(jié)所述電路中的電流變化速率，并且因此有助于限制該殘余電壓，從而限制所述半導(dǎo)體器件被導(dǎo)通時(shí)兩端的電壓。
[0021]此外，調(diào)節(jié)所述電路中的電流的變化速率也指示了在所述電路的另一個(gè)分支部中的任何反向并聯(lián)的保護(hù)二極管的電流變化速率，并且因此有助于保持控制這樣的反向并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)，從而使導(dǎo)通的反向并聯(lián)二極管成功地完成反向恢復(fù)并切換到阻擋狀
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[0022]否則，如果所述電路中的變化速率未得到調(diào)節(jié)，則導(dǎo)通的二極管可能無法完成反向恢復(fù)并且因此保持導(dǎo)通。在這種情況下，與保持導(dǎo)通的二極管關(guān)聯(lián)的半導(dǎo)體器件兩端將具有極低的電壓，同時(shí)在前述的半導(dǎo)體器件的所述導(dǎo)通期間，在所述電路的其他分支部中，與另一個(gè)反向并聯(lián)保護(hù)二極管關(guān)聯(lián)的任何其余的半導(dǎo)體器件將在其兩端具有由另一個(gè)分支部支持的全DC電壓的增大的份額。作為這樣的完成反向恢復(fù)的失敗的結(jié)果，在另一個(gè)分支部中半導(dǎo)體器件之間的電壓分配將不平均。
[0023]所以，按照根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法導(dǎo)通半導(dǎo)體器件使串聯(lián)堆疊結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體器件能夠可靠地分配電壓，有利于它們以安全和高效的方式導(dǎo)通。
[0024]根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法可以進(jìn)一步包括以下步驟:使用監(jiān)測所述集電極-發(fā)射極電壓的閉合反饋環(huán)來限定施加到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端的電壓。這提高了導(dǎo)通所述半導(dǎo)體器件的可靠性。
[0025]根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供了一種導(dǎo)通一組串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件中的多個(gè)半導(dǎo)體器件的方法，每個(gè)半導(dǎo)體器件包括柵極端、集電極端和發(fā)射極端，該方法包括以下步驟:
[0026](i)在接收到導(dǎo)通信號時(shí)，施加電壓到每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端來將該半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓降低到第一預(yù)定電壓平臺水平，并且保持該電壓至每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端以預(yù)定時(shí)間段；
[0027](ii)在所述預(yù)定時(shí)間段之后，控制施加到每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端的電壓來以變化的緩變率改變集電極-發(fā)射極電壓，直到集電極-發(fā)射極電壓達(dá)到預(yù)定電壓水平，對施加到每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端用以改變集電極-發(fā)射極電壓的電壓進(jìn)行的這種控制包括:
[0028]將每個(gè)半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓降低到第二預(yù)定電壓平臺水平；
[0029]將每個(gè)半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓保持在第二預(yù)定電壓平臺水平，以調(diào)節(jié)所述多個(gè)半導(dǎo)體器件在使用中所位于的電路中的電流的變化速率；以及
[0030]將每個(gè)半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓降低到該半導(dǎo)體器件處于其導(dǎo)通狀態(tài)的電壓水平；以及
[0031](iii)控制施加到每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端的電壓來將每個(gè)半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓保持在所述預(yù)定電壓水平。
[0032]優(yōu)選地，所述預(yù)定時(shí)間段足夠長以允許具有不同關(guān)斷狀態(tài)退出時(shí)長的多個(gè)半導(dǎo)體器件中的每個(gè)半導(dǎo)體器件關(guān)斷以退出其關(guān)斷狀態(tài)。
[0033]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述一組串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件電連接到至少一個(gè)反向并聯(lián)二極管，并且控制施加到每個(gè)半導(dǎo)體器件的柵極端的電壓來以變化的緩變率改變集電極-發(fā)射極電壓包括:將每個(gè)半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓保持在第二預(yù)定電壓平臺水平，直到所述或每個(gè)反向并聯(lián)二極管完成反向恢復(fù)。
[0034]根據(jù)本發(fā)明第三方面，提供了一種用于導(dǎo)通半導(dǎo)體器件的控制電路，所述半導(dǎo)體器件包括柵極端、集電極端和發(fā)射極端，所述控制電路包括電壓請求曲線發(fā)生器，在接收到導(dǎo)通信號時(shí):
[0035](i)施加電壓到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端來將所述半導(dǎo)體器件的集電極-發(fā)射極電壓降低到第一預(yù)定電壓平臺水平，并且保持該電壓至所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端以預(yù)定時(shí)間段；
[0036](ii)在所述預(yù)定時(shí)間段之后，施加電壓到所述半導(dǎo)體器件的所述柵極端來