半導體設備控制器的製造方法

2023-09-19 01:35:50 1

半導體設備控制器的製造方法
【專利摘要】本發明描述了用於控制半導體開關設備(132)進入多個狀態中所選擇的一者的控制器(130)，該狀態包括全關閉狀態、飽和開啟狀態、以及至少一個中間狀態。該開關設備控制器包括用於感測設備上的電壓的電壓感測輸入(142)；用於感測流經設備的電流的電流感測輸入(電流反饋)；耦合至感測輸入、控制輸出(136)以向功率半導體開關設備提供具有根據一個或多個可調參數的響應的驅動信號的負反饋控制電路(138)；以及用於控制響應於狀態指令數據的可調參數以控制開關設備進入所選擇的狀態的電路控制器，尤其是通過控制設備的有效阻抗。優選的中間狀態包括激活低電流狀態和激活低電壓狀態。
【專利說明】半導體設備控制器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用於控制半導體開關設備的技術，尤其是用於功率半導體開關設備的 技術。

【背景技術】
[0002] 我們非常關心的功率半導體開關設備典型地具有大於1安培的載流能力和大於 100伏特的可操作電壓。我們所關心的設備的實施例能夠承載大於10安培、50安培或100 安培的電流和/或能夠維持大於500伏特或1KV的設備兩端的壓差。
[0003] 該設備的示例包括絕緣柵雙極電晶體（IGBT)，以及諸如M0SFETS(垂直或橫向） 和JFET的FET，以及諸如LILET (橫向反轉層發射極三極體）、GT0(柵極可關斷晶閘管）、 IGCT(集成門極換向晶閘管）等的可能設備。我們描述的技術不限於任何特定類型的設備 結構，並且因此功率開關設備可以例如為垂直或橫向設備；其可以在包括但不僅限於矽和 碳化矽的技術範圍內被製造。
[0004] 該類型的開關設備具有包括在高電壓傳輸線（尤其是可以例如運載來自離岸風 設施的功率的該類型的直流傳輸線）中開關以及在用於諸如機車發動機的發動機等的中 等電壓（例如大於1KV)中開關的應用。
[0005] 控制這種設備有特殊的問題，部分由於涉及的高電流/電壓意味著錯誤（例如控 制系統中的錯誤或過度功率消耗或功率半導體設備的過壓）可能具有潛在的一系列後果。 此外，這些設備經常在電噪聲環境中操作，並且幾十或幾百個設備可以被串聯和/或並聯 地連接以達到需要的等級。在這種布置中開關設備需要謹慎地同步。同樣優選的是，控制 技術可以解決多個連接的設備中的一者發生故障時的情況。


【發明內容】

[0006] 根據本發明，提供了一種用於控制半導體開關設備進入多個狀態中所選擇的一者 的半導體開關設備控制器，所述狀態包括全關閉狀態、飽和開啟狀態、以及在所述全關閉狀 態和所述飽和開啟狀態之間的至少一個中間狀態，所述半導體開關設備具有第一和第二輸 入/輸出端和控制端，所述開關設備控制器包括：接口，該接口用於接收設備指令數據以及 為所述開關設備定義所指令的所述狀態；電壓感測輸入，該電壓感測輸入用於感測在所述 輸入/輸入端的電壓；電流感測輸入，該電流感測輸入用於感測經由所述輸入/輸出端流經 所述半導體開關設備的電流；控制輸出，該控制輸出用於向所述控制端提供驅動信號；反 饋控制電路，該反饋控制電路被耦合至所述電壓感測輸入、所述電流感測輸入以及所述控 制輸出，以提供響應於所感測的電壓和所感測的電流的所述驅動信號，其中所述反饋控制 電路具有一個或多個可調參數，並且其中所述驅動信號對所述感測的電壓和所述感測的電 流的所述響應依賴於所述一個或多個可調參數；以及電路控制器，該電路控制器被耦合至 所述接口和所述反饋控制電路，其中所述電路控制器被配置為控制響應於所述指令數據的 所述一個或多個可調參數；以及其中所述一個或多個參數的狀態確定由來自所述反饋控制 電路的所述驅動信號設置的所述開關設備的狀態，並且其中所指令的狀態定義所述一個或 多個可調參數的狀態，以用於所述電路控制器控制所述功率半導體開關設備進入所述全關 閉狀態、所述飽和開啟狀態和所述至少一個中間狀態。
[0007] 這種控制器的實施方式使潛在的幾百個功率半導體開關設備能夠以可控、同步的 方式進行開關。廣義地說提供在全關閉和飽和開啟狀態之間的一個或多個中間狀態使設備 的導電狀態能夠被控制，並且因此多個設備的導電狀態能夠被控制前後緊接地改變。如同 進行同步開關，這也有助於保證電流/電壓負載均勻地在多個設備兩端共享。用於確定開 關設備的狀態的可調參數可以是電流或電壓值，例如柵極電壓參考級別，和/或反饋控制 電路的一個或多個反饋環路的縮放或偏置參數（如在後文所述），和/或定義了控制器的控 制環路的開關形成部分的狀態的參數。
[0008] 所控制的功率半導體開關設備可以是包括在介紹中提到的那些類型的任意範圍 的設備，但是本發明的實施方式在應用於絕緣柵設備，尤其是IGBT (絕緣柵雙極電晶體）或 M0SFET時是尤其有優勢的。優選地，採用該設備，反饋控制電路包括可控電流驅動電路以控 制在一個或多個可調參數被改變時的流入/流出開關設備的控制端（柵極）的電荷。這便 於驅動柵極電容和（可變）米勒（Miller)電容。雖然這些電容可以由低阻抗電壓源來驅 動，但是難以控制。相比之下，電流（電荷）控制便於控制隨著時間推移設備兩端的電壓的 變化率以及流經設備的電流的變化率。
[0009] 在控制器的一些特定有益的實施方式中，反饋控制電路是負反饋電路，參數包括 電路的控制環路增益參數，並且電路被配置為控制開關設備至一阻抗值，電路控制器控制 環路增益參數來調整阻抗值從而使開關設備在狀態之間轉移。
[0010] 控制器的實施方式提供了採用負反饋的控制系統，從而在這種方式下基於感測的 電壓和電流反饋信號控制開關設備的行為以使得開關設備表現為似乎是無源阻抗。接下來 可以改變控制環路的參數來改變該有效阻抗，從而例如將設備從高阻抗轉移至低阻抗。該 阻抗中改變的附加效果是達到正在被切換的外部電路的"切換轉變事件"。因此在實施方式 中，控制系統具有控制控制環路中的開關設備的行為的多個縮放參數，並且這些參數可以 被調整以使得開關設備表現為似乎是無源電阻。這涉及到歐姆原理，R = V/I，即通過改變 V和I的所感知的反饋值，電路改變控制環路的有效R。
[0011] 可以在模擬電路或者在數字電路或二者的結合中實施反饋控制電路。
[0012] 控制器的一些優選實施方式包括開關設備狀態檢測系統，用於檢測何時達到所指 令的中間狀態，並且在接口上發送回確認數據以響應。這便於用於前後緊接地進行開關的 多個設備的同步。根據被檢測到的中間狀態，狀態檢測系統可以感測控制端（柵極）電壓、 設備兩端電壓和經過設備的電流中的一者或多者。
[0013] 在一些優選實施方式中，除了全關閉和飽和開啟狀態之外，控制器還提供了中間 狀態。在全關閉狀態中，開關設備被關閉並且經過設備的電流基本為零，即只有漏電流流 通。一種可以被提供的隨後中間狀態是關閉閾值狀態，在該關閉閾值狀態中，設備仍然是關 閉的，但具有大於全關閉狀態（尤其是大於零）但是小於設備的開啟閾值電壓的柵極電壓。 可選擇地，控制器可以被配置為學習來自設備本身的該電壓的值（這是可行的，由於柵極 電壓可以被控制並且流經設備的電流是可以被感測）。可以被提供的進一步的中間狀態是 該狀態的"鏡像圖像"，即柵極電壓小於設備的飽和開啟（飽和的）狀態但是大於設備的關 閉閾值的開啟閾值狀態。再次地，該開啟閾值電壓可以由控制器學習和/或根據設備兩端 的感測的電壓來調整。可替換地，控制器可以包括在易失或非易失存儲器中的定義了這些 電壓值的一個或多個寄存器（例如可以從設備數據表中得到被編程的值）。
[0014] 模擬控制電路的實施方式可以包括從控制輸出開始的反饋環路，用於控制驅動信 號電壓至由可調電壓控制參數定義的值。接下來可以調整（此處包括選擇）該參數以控制 設備進入關閉閾值或開啟閾值狀態。當這種閾值狀態控制反饋環路被提供用於模擬控制電 路時，其優選地是可切換的，從而該反饋環路可以被切換出並且另一個控制環路被切換進 (如隨後所描述的）。因此，更一般地，控制器的實施方式具有多個反饋環路並且需要的反 饋環路可以是可切換選擇的，例如在典型地為數字控制器的電路控制器的控制下。
[0015] 控制開關設備從全關閉狀態至關閉閾值狀態，以及從飽和開啟狀態至開啟閾值狀 態（反之亦然）可以擬自動化地被執行，尤其僅通過控制柵極電壓，這是由於流經設備的電 流/設備兩端的電壓只有很少的變化或沒有變化。然而控制器的一些優選實施方式還提供 了一個或多個被定義的激活中間狀態，其中設備處於激活在這種意義上是指：流經設備的 電流/設備兩端的電壓被控制並且設備沒有被完全關閉或完全開啟一更精確地說，其中 設備是開啟的但不是飽和開啟狀態。在該激活狀態中，反饋控制電路包括用於經過功率設 備的電流和功率設備兩端的電壓的激活控制的控制環路，控制該控制環路的一個或多個參 數以達到被指令的激活狀態。因此對於該激活狀態控制，如果被實現，上文描述的閾值狀態 控制環路可以被切換出。在一些特定的優選實施方式中，反饋控制電路控制開關設備至一 目標阻抗，並且電路控制器控制該目標阻抗達到期望的激活狀態。因此，廣義地說，開關設 備控制器的一些優選實施方式實際上使得功率半導體開關設備表現為無源電阻。
[0016] 該激活狀態控制環路的實施方式便於在不同的中間激活狀態之間進行開關設備 的雙向控制。這是有用的，由於其使得設備能夠在故障被檢測到時（例如在受控設備中或 者在其故障會影響受控設備的其它設備中）控制回至先前的"已知良好"或一些其他安全 狀態。由於在高功率系統中一個設備的故障會經常導致引起其它設備的故障的連鎖反應， 所以這可以有助於限制並行損壞。
[0017] 由控制器實現的一個優選的激活狀態是激活低電流狀態，在激活低電流狀態中開 關是激活的但是在有流經設備的被定義的低電流的狀態中，設備兩端的電壓接近全電壓。 因此在這種激活低電流狀態中，感測的電流大於零，但是仍然相對低，至少低於飽和開啟電 流，例如小於5安培、1安培、0. 1安培、10mA、1mA或100 μ A。在這種狀態中，設備兩端的電 壓可以大於100伏特、500伏特或1KV，例如大於感測的電壓的最大值的90%。然而原則上 來說，在低電流狀態中設備兩端的電壓可以是任意電壓（如果逆向並聯二極體導通時甚至 可以是負值，這是因為當隨著驅動導電負載的發生時電流逆向通過開關）。
[0018] 在控制器的實施方式中被實現的另一種可用狀態是激活低電壓狀態，在激活低電 壓狀態中，設備兩端有定義的低電壓（高於飽和電壓但是小於全關閉電壓/全切換電源電 壓的電壓）。因此在實施方式中，設備兩端感測的電壓可以小於50伏特、30伏特或20伏特， 例如10伏特的級別的電壓；或者小於感測的電壓的最大電壓的10%或5%。此外，感測的 電壓大於飽和開啟狀態的電壓（可以例如是2伏特級別）並且因此感測的電壓可以大於2 伏特、3伏特、5伏特或10伏特。在激活低電壓狀態中，流經設備的電流可以接近全電流，雖 然原則上在該狀態中可以有任意電流流經設備。
[0019] 如上文所述，在一些優選實施中，激活狀態控制環路將開關設備控制為表現為似 乎是無源阻抗。因此在實施方式中，激活狀態控制環路包括第一控制電路和第二控制電路， 該第一控制電路耦合至電壓感測輸入並且結合了響應於電壓縮放參數的電路，該第二控制 電路耦合至電流感測輸入並結合了響應於電流縮放參數的電路。接下來激活狀態控制環路 可以（例如在差分電路中）組合這兩個縮放的參數。接下來被組合的結果可以被用於控制 來自控制輸出的驅動信號。在這種方式中，（數字）電路控制器可以通過改變電壓縮放和 電流縮放參數中的一者或二者（實際上改變設備的目標阻抗）來控制至/從激活狀態的轉 變或激活狀態之間的轉變。
[0020] 在優選實施方式中，控制器使用組合的控制電路實現兩個激活中間狀態和兩個閾 值中間狀態二者，其中該組合控制電路具有一對可切換控制環路，該對切換控制環路針對 各自的激活和閾值中間狀態對中的每一者。
[0021] 本發明的相關方面提供了一種使用開關設備控制器來控制半導體開關設備的開 關的方法，該方法包括：接收使得所述半導體開關設備從初始全關閉或飽和開啟狀態切換 至中間狀態的指令；控制所述半導體開關設備從所述初始狀態進入所述中間狀態；確定所 述半導體開關設備處於所述中間狀態；響應於所述確定，確認所述開關設備處於所述中間 狀態；在所述確認之後接收從所述中間狀態切換至隨後狀態的進一步指令；以及控制所述 半導體開關設備進入所述隨後狀態。
[0022] 在實施方式中，提供了開關設備可以被控制達到的一個或多個被定義的中間狀 態，以及在達到被定義的中間狀態時發送確認信號，這便於同步地控制多個這種設備。此 夕卜，方法的實施方式還使得設備能夠被控制從中間狀態返回至先前的狀態（例如當檢測到 設備或另一個設備的故障時），以作為失效保護（fail-safe)機制。
[0023] 在方法的優選實施方式中，當在全關閉和飽和開啟狀態之間切換時，開關設備被 控制進入多個連續的中間狀態，在轉移至隨後狀態之前報告這些中間狀態的每一者並等待 隨後狀態改變指令。如上文所述，在一些優選實施方式中，中間狀態包括關閉閾值狀態、開 啟閾值狀態、激活低電流狀態和激活低電壓狀態中的一者或多者。
[0024] 本發明的相關方面提供了一種用於控制半導體開關設備的開關設備控制器，該開 關設備控制器包括：接口，用於接收指令和發送確認；用於接收使得所述半導體開關設備 從初始全關閉或飽和開啟狀態切換至中間狀態的指令的裝置；用於控制所述半導體開關設 備從所述初始狀態進入所述中間狀態的裝置；用於確定所述半導體開關設備處於所述中間 狀態的裝置；用於響應於所述確定，確認所述開關設備處於所述中間狀態的裝置；以及用 於在所述確認之後接收從所述中間狀態切換至隨後狀態的進一步指令的裝置；以及用於控 制所述半導體開關製備進入所述隨後狀態的裝置。
[0025] 如上文所述，功率半導體開關設備控制器的一些優選實施方式使得受控的開關設 備實際上表現為無源電阻。
[0026] 因此本發明的又一個相關方面提供了一種用於控制半導體開關設備的半導體開 關設備控制器，所述半導體開關設備具有第一和第二輸入/輸入端以及控制端，該開關設 備控制器包括：控制輸入，該控制輸入用於接收用於控制所述半導體開關設備的狀態的控 制信號；電壓感測輸入，該電壓感測輸入用於感測在所述輸入/輸入端的電壓；電流感測輸 入，該電流感測輸入用於感測經由所述輸入/輸出端流經開關設備的電流；控制輸出，該控 制輸出用於向所述控制端提供驅動信號；以及反饋控制系統，該反饋控制系統被耦合至所 述電壓感測輸入、所述電流感測輸入以及所述控制輸入和所述控制輸出；其中所述控制信 號定義了所述半導體開關設備的目標有效阻抗，並且其中所述反饋控制電路被配置為控制 所述驅動信號以使得所感測的電壓和所感測的電流一起實現所述目標有效阻抗。
[0027] 再次地，控制器可以在模擬電路或數字電路（可選擇地包括部分或全部在軟體控 制下的電路）或二者的組合中被實施。
[0028] 控制信號可以依據一組目標開關狀態中的一者定義目標阻抗。在一些優選實施方 式中，控制輸入控制各自控制電路的電壓縮放和電流縮放參數，以為設備/電路定義目標 有效阻抗。如前文所述，接下來可以通過改變目標有效阻抗來控制設備的狀態，從而控制設 備從一個狀態至另一個。在優選實施方式中，對來自第一和第二控制電路的信號進行差運 算，並且得到的錯誤信號被用於控制驅動電路，尤其是柵極驅動電路。如上文所述，驅動器 電路（柵極驅動電路）優選地是電流（電荷計量）驅動器電路。
[0029] 由感測的電壓和電流測量的完整控制系統的行為為設備給定有效阻抗，並且縮放 參數定義了該目標有效阻抗。因此，在實施方式中，負反饋控制系統被配置為給定驅動信 號，該驅動信號與定義的目標阻抗和通過感測的電壓和電流測量的實際有效阻抗之差成比 例，以這種方式使該差值趨向零。
[0030] 在實施方式中，差值信號是控制環路錯誤信號，該控制環路錯誤信號由於負反饋 在該方向下驅動主開關設備的控制柵極並且採用與錯誤的幅值比例，以使得隨著時間的逝 去將錯誤信號減小至零。這是控制器的實施方式的重要操作原則，因為這便於固有地非線 性的開關設備的控制，尤其是將固有非線性設備變為表現為具有線性阻抗、完全不同於其 本性的類似無源電阻的東西。
[0031] 本發明的又一個相關方面提供了一種控制半導體開關設備的方法，該方法包括： 感測在所述半導體開關設備的第一和第二輸入/輸出端兩端的電壓；感測通過所述半導體 開關設備流經所述第一和第二輸入/輸出端之間的電流；以及響應於所感測的電壓和電 流，控制在所述半導體開關設備的控制端上的信號以使得所述半導體開關設備表現為類似 無源電阻。
[0032] 再次地，在優選實施方式中開關設備具有絕緣柵。向柵極注入或從柵極移除的電 荷被控制，以控制柵極的電場，尤其地控制感測的電壓與感測的電流的比例，從而達到用於 中間狀態中的一者或多者的開關設備的目標有效阻抗。
[0033] 本發明的又一個相關方面提供了一種用於控制IGBT的開關的半導體開關設備控 制器，該開關設備控制器包括：一個或多個寄存器的組合，用於儲存定義了目標柵極電壓值 Vg、目標集電極電流值Ic、目標集電極-發射極電壓值Vce以及目標有效阻抗值Re中的一 者或多者的數據；反饋控制環路，被配置為控制所述IGBT的所述Vg、Ic和Vce ;以及控制 器，用於根據所述所儲存的數據控制所述反饋控制環路來將用於所述IGBT的所述Vg、Ic和 Vce中的一者或多者作為目標；以及其中所述控制器被配置為將由所述Vg、Ic、VCe和Re中 的一者或多者定義的中間狀態作為目標來控制所述IGBT的所述開關。
[0034] 在實施方式中，寄存器還儲存用於狀態的Vg值、一對Ic和Vce值和/或Re值（定 義了完整控制系統/IGBT的目標阻抗）。接下來控制器可以被配置為將IGBT保持在多個中 間狀態中的每一者，其中每一者所儲存的Vg、I C、Vce和Re值中的一者或多者定義。相應的 技術可以被用於控制MOSFET。
[0035] 因此在相應的方面中，提供了一種用於控制M0SFET的開關的半導體開關設備控 制器，該開關設備控制器包括：一個或多個寄存器的組合，用於儲存定義了目標柵極電壓值 Vg、目標漏極電流值ID、目標漏極-源極電壓值VDS以及目標有效阻抗值Re中的一者或多者 的數據；反饋控制環路，被配置為控制所述M0SFET的所述Vg、I D和VDS ;以及控制器，用於根 據所儲存的數據控制所述反饋控制環路來將所述M0SFET的所述Vg、ID和V DS中的一者或多 者作為目標；以及其中所述控制器被配置為將由所述Vg、ID、VDS和Re中的一者或多者定義 的中間狀態作為目標來控制所述M0SFET的開關。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 本發明的這些和其它方面將僅以示例的方式參照附圖進一步被描述，其中：
[0037] 圖la和lb分別示出了根據本發明實施方式的開關設備控制器，以及用於該控制 器的數字邏輯的細節，該開關設備控制器與包括耦合至子控制器的中央控制器的協調控制 系統相結合；
[0038] 圖2a和2b分別示出了在橋應用中的功率半導體設備控制系統的示例和圖2a的 布置的細節；
[0039] 圖3a至3c示出了 IGBT的電流/電壓對應柵極電荷的曲線，示出了 IGBT可以根 據本發明由開關設備控制器控制進入的多個不同的中間狀態，以及設備電路拓撲開關的第 一和第二不例，分別為電阻負載和電感負載；
[0040] 圖4示出了 IGBT的電壓/電流對應時間的曲線，示出了由開關設備控制器和開關 狀態改變指令一起提供的設備的狀態和轉變，以及當至新狀態的轉變完成時的響應；
[0041] 圖5示出了根據本發明的功率半導體開關設備控制器的實施方式的示意性電路 圖；以及
[0042] 圖6示出了結合了一對配置寄存器儲備的開關設備控制器。

【具體實施方式】
[0043] 參照圖1，示例性功率半導體開關設備控制系統100包括耦合至多個子控制器 120 (僅示出一個）的中央控制器110,並且多個子控制器120轉而耦合至多個開關設備控 制器130 (再次僅示出一個）。雖然在圖1的示例中，子控制器被提供，但是控制系統可以僅 採用中央控制器，或者可以採用多級別的（嵌套的）子控制器。功率電子系統或電路一般 包括多個開關，每個開關可以包括一個或典型的多個開關設備。雖然諸如MOSFET、JFET等 的其它設備也可以被採用，但是在圖1的示例中，功率半導體開關設備是IGBT132。
[0044] 如圖所示，開關設備控制器（開關設備）130包括數字邏輯來與總線122接合，該 總線122將設備控制器130連接至子控制器120。在優選實施方式中，設備控制器130也在 總線上接收功率，並且控制器包括電源電路141，用於將從總線傳遞的功率用於為設備控制 器/開關設備130的低電壓部分供電。在操作中，數字邏輯140通過總線122接收指令和 配置信息，並且以確認或其它數據來回復。對於更詳細的參考可以參見與本申請同日提交 的共同待決的英國專利申請。
[0045] 數字邏輯140與在示出的示例中被耦合至驅動IGBT132的柵極驅動器136的反饋 控制電路138接合。在一種示例性實施中，反饋控制電路包括模擬和數字電路的混合。在 示出的示例中，在開關設備控制器和子控制器之間的連接是高速點對點鏈路，但是共享總 線也可以被採用。在一種實施方式中，該連接包括雙絞銅線對，相同對或者附加對可以被採 用以向開關設備控制器提供電力。可選擇地，光纖連接可以被採用。這種布置促進了高速 數據傳遞，例如用於控制在開關狀態之間的轉變的大於l〇〇Mbit/s或lGbit/s的數據傳遞。
[0046] 隨後進一步被描述的圖6示出了圖1的數字邏輯140的細節。如隨後所描述的，開 關狀態由來自中央控制器的實時消息進行請求（並且當到達時類似地被確認），同時配置 和監控數據可以由非實時消息來發送和接收。因此至總線122的接口包括實時邏輯150和 非實時邏輯152。在實施方式中，控制器包括兩個寄存器儲備154a、b，用於儲存為多路復用 器156可選擇的配置數據。寄存器儲備通過數字邏輯編程，該數字邏輯也控制哪個寄存器 儲備是激活的，以及哪個可以被寫入。激活的寄存器儲備提供參數信息，該參數信息構建隨 後描述的激活的反饋控制環路的狀態。非激活的寄存器儲備可以通過通信接口被更新，並 且接下來進行激活以使得新的參數數據控制系統狀態。這允許了控制器配置的實時更新， 以及在具有多個開關/控制器的系統中被同步更新。
[0047] 如在隨後更詳細的描述，圖1中的開關設備控制器130的優選實施方式包括用於 感測在半導體開關設備上的電壓的電壓感測電路142以及用於感測流經設備的電流的電 流感測電路144。在整個系統的一些優選實施方式中，來自這些感測電路中的一者或二者的 數據可以應請求而被反饋至子控制器120和中央控制器110中的一者或二者。
[0048] 在諸如全（H-)橋、半橋或3相逆變器的電功率轉換器中，每個開關位置可以包括 一個或多個半導體開關設備。在介紹中描述的類型的高電壓和/或高電流應用中，多個半 導體開關設備中的每一者可以串聯和/或並聯地與各自的開關設備控制器連接。圖2a示 出了 H-橋電功率轉換器200的實施例，該H-橋電功率轉換器200可以例如被採用以將DC 轉換至AC，反之亦然。在該示例中，Η-橋204的每個開關202a-d包括一組半導體開關設備 管芯，如在圖2b中更具體的細節。在圖2b的延展圖示中，單個可控開關202包括9個功率 半導體開關設備210,例如，其中每個功率半導體開關設備包括碳化矽管芯，多個設備被並 聯地連接以生成電壓電平，接下來多組多個設備被串聯地連接以串聯連接電壓電平。在其 它實施方式中，單個開關設備控制器可以控制兩個或更多開關或設備管芯。每個開關210 具有各自的開關設備控制器130,該開關設備控制器130轉而被耦合至子控制器120a、b中 的一者。
[0049] 如圖所示，單獨的總線運行在子控制器和開關設備控制器之間，從而對於每個開 關設備控制器有一個這種總線。在一種示意性系統中，子控制器向各自的開關設備控制器 提供30個單獨的總線連接並且因此用於圖2a的採用36個半導體開關的全橋示例性H-橋， 兩個子控制器被採用。技術人員將領會的是，在具有多個開關的高電壓和/或電流功率電 路中，幾百或者可能幾千個半導體開關設備可以被採用。在該布置中，功率半導體開關設備 可以是以串聯和並聯方式可連接的，並且開關設備控制器系統能夠控制這些設備的開關從 而同步進行開關，實際上是基本同時的。
[0050] 為了便於同時控制，多個開關狀態被定義。這些狀態概括地如下所示（雖然可以 在其它實施方式中採用更多或更少的狀態）：
[0051] 狀態1 :全關閉 開關被關閉，只有漏電流流過；
[0052] 狀態2 :低柵極電壓關閉--開關被關閉但接近柵極閾值電壓；
[0053] 狀態3 :激活低電流--開關是激活的，但處於具有定義的低電流經過開關的狀 態；
[0054] 狀態4 :激活低電壓--開關是激活的，但處於開關兩端有定義的低電壓（高於飽 和電壓）的狀態；
[0055] 狀態5 :高柵極電壓開啟--開關被開啟並且處於飽和但可以不是全飽和的；
[0056] 狀態6 :飽和開啟--開關處於飽和開啟情況。
[0057] 所需的開關狀態的通信是通過從中央控制器至開關設備的實時消息。此外，配置 和監控數據可以通過非實時消息交換。
[0058] 廣義地來說，當設備（即IGBT功率半導體開關設備）關閉時設備兩端會有例如 1KV級別的高電壓。會有基本上零電流（只有漏電流）和基本上零柵極電壓（或者根據設備 的負柵極電壓）。向柵極注入電流少量地增加了柵極電壓，從而開始經過例如級別為〇. 1-1 安培的小電流；這有效地使得串聯耦合的設備同時地激活。為了達到這種狀態可能花費例 如級別為50ns_l μ s的時間，包括對柵極充電的時間和傳播延時。從這種狀態開始，進一 步向柵極注入電流進一步增加柵極電壓以達到設備基本經過更多電流的狀態，例如級別為 100安培的電流，並且設備兩端還有例如級別為10伏特的剩餘的或"激活"低電壓。最終柵 極電壓被驅動至其可以全電壓，例如為對於矽設備的級別為15伏特的電壓或者對於碳化 矽設備的20伏特的電壓，其中在該電壓下設備飽和，流經其全電流並且設備兩端具有最小 的飽和（全）開啟電壓，例如為級別為2伏特的電壓。
[0059] 上述的概括描述是簡化描述，並且接下來將詳細地描述一些示例性狀態和轉變。
[0060] 現在參照圖3a，示出了針對圖1中的IGBT的集電極發射極電壓Vce、集電極電流 Ic以及柵極電壓Vg對應柵極電荷Qg的圖表。開關設備控制器的優選實施方式將IGBT視 作電流控制的或電荷控制的設備，而不是電壓控制的設備，並且通過驅動具有可控電流源 的IGBT的柵極來實現這一點。雖然柵極電場（和柵極電壓）是柵極電荷的函數，但是將 設備視作電流控制並且從電流源驅動設備相比較於從電壓源驅動設備，即使是低阻抗電壓 源，是有明顯區別的。這是因為設備具有固有的柵極電容（在柵極與發射極或源極之間） 和米勒（Miller)電容，該米勒電容具有根據Vce的改變率的值（在柵極與集電極或漏極之 間）。使用電流驅動來驅動IGBT使設備能夠通過狀態而被轉變，在該狀態中Vce和Ic中的 一者或二者變化，但是Vg基本上恆定。此外，驅動具有可控電流/電荷的設備便於對Vce 的dV/dt和Ic的dl/dt進行控制。
[0061] 因此參照圖3a，在初始狀態S1中，設備完全關閉，基本上有零柵極電荷，並且柵極 電壓也基本為零。在這種情況中，Vce基本上最大，即，設備支持集電極和發射極端子兩端 全部的施加的電壓，並且Ic基本為零，即，只有可以忽略的漏電流流過。圖3a示出了示例 性設備的曲線，該設備以零柵極電壓被關閉，然而本領域技術人員將意識到的是，根據特定 設備，當設備完全關閉時，柵極電荷Qg和柵極電壓Vg均可以可替換地為負。
[0062] 隨著電荷被注入IGBT的柵極，柵極電壓逐漸地上升，並且設備可以進入第二狀態 S2,在第二狀態S2中設備仍然是全關閉的，但是柵極電壓僅僅低於設備開始開啟的電壓。 我們將其稱為低閾值電壓VthL，並且在該柵極電壓下可以保證在設備的使用條件定義的環 境下（溫度範圍）設備不會變為激活。該低閾值電壓是溫度的和設備本身的函數。通常對 於功率IGBT，該電壓可以是級別為3伏特的電壓。
[0063] 繼續向IGBT的柵極注入電荷將使設備從狀態S2轉移至狀態S3。在狀態S3,設備 被部分地開啟（激活）並且受控的低電流流經設備。隨著電荷被注入柵極，達到設備的低 閾值電壓，並且IGBT開始導電。如圖所示，隨著被注入設備的電荷越多，就越導電，並且集 電極電流Ic隨著注入的電荷而提升。狀態S3的位置由定義集電極電流的值來定義，在該 集電極電流下，設備保持在低電流穩定（即，定義的集電極電流流經由反饋控制系統維持 恆定的設備的點）。
[0064] 隨著更多的電荷被注入開關設備的柵極，設備從狀態S3轉變至狀態S4。在該轉變 期間，集電極電流加強至最大值並且集電極-發射機電壓降至接近設備兩端的最小值。在 狀態S3和S4之間的Vce和Ic的曲線的精確形狀取決於電路的拓撲，在該電路的拓撲中， 設備被連接並且相關聯的電路電感/電容/阻抗：例如採用電阻負載，集電極電流隨著集電 極-發射極電壓的線性減小而線性地增加。通過與二極體負載對比，一旦達到二極體開關 閾值，集電極電流可以迅速地增加。這在圖3b和3c中示意性示出，其中圖3b和3c分別示 出了切換電阻負載的IGBT以及例如在具有切換電感負載的IGBT典型的升壓型轉換器配置 中發現的類型的電感二極體鉗位電路。採用電感二極體鉗位負載，在電壓保持不改變的同 時，集電極電流可以在電壓線性地降至最小點而同時電流維持不變之前首先線性地增加至 最大點。
[0065] 然而本領域技術人員將理解的是，由於起始和結束點（即，各自的狀態）二者被明 確地定義，在狀態S3和S4之間的區域中的Vce和Ic曲線的精確轉變是不相關的。因此 在狀態S4中，設備是開啟的（激活的），但仍然當設備是飽和開啟時支持高於Vce的集電 極-發射極電壓。狀態S4的位置由該低電壓穩定的Vce電壓值定義；可以例如是級別為 10-50伏特的電壓。
[0066] 在狀態S4,柵極電壓低於我們所稱作的高閾值電壓VthH。該高閾值電壓是在柵極 電壓減小時設備剛開始脫離飽和的最小電壓。因此在從狀態S4轉移至狀態S5過程中，設 備被完全開啟並且被帶入飽和。在繼續向IGBT的柵極注入電荷的過程中，柵極電壓仍然 基本恆定，直到相關聯的柵極電容被充電，以及接下來上升直到達到高閾值電壓VthH，狀態 S5由等於（或者大於）該高閾值電壓的柵極電壓來定義。換言之，可以保證的是，如果柵 極電壓降至VthH，則設備維持飽和。VthH的典型值在7-9伏特的範圍；在電壓大於該電壓 時（例如10-15伏特）（或者碳化矽設備的高至20伏特）設備是完全飽和的。上閾值電壓 部分地取決於設備流經的電流。在實施方式中，狀態S2和S5可以由柵極電壓和被定義的 參考電壓值的比較來定義。這些可以被編程寫入控制器，例如寫入控制器的一個或多個寄 存器和/或控制器可以被提供有學習模式來學習設備剛開始脫離飽和/剛開始變為激活的 點，可選擇地接下來採用溫度變化的錯誤範圍。
[0067] 此時繼續向IGBT的柵極注入電荷繼續增加了柵極電壓直到達到設備完全飽和開 啟的狀態S6。狀態S6由柵極電壓值來定義，該柵極電壓值可以例如被編程寫入控制器。
[0068] 圖3a中示出的曲線是雙向的：也就是說，通過向IGBT的柵極注入電荷或者從 IGBT的柵極移除電荷，設備可以在示出的任意狀態之間轉移。尤其是，狀態S3和S4的達到 是由設備的低電流穩定和低電壓穩定的值定義的，雖然在操作中計時是根據設備操作的電 路的，例如從狀態S3至S4的轉變的計時是根據Vce的崩潰速度有多快。
[0069] 在控制器的一些優選實施方式中，激活的反饋控制環路被採用以使開關設備在狀 態S3和S4之間，尤其在狀態S2和S5之間轉移。在優選實施方式中，該激活的控制採用了 控制環路，該控制環路通過控制設備表現為無源電阻來一前一後地同步地控制Vce和Ic二 者。因此在實施方式中，該激活的反饋控制定義了 Vce和Ic之間的比例。這為開關設備確 定了有效阻抗，並且通過改變設備的有效目標阻抗，設備從一個狀態轉移至另一個，接下來 反饋迴路操作將電壓和電流維持在被定義的比例。
[0070] 因此廣義地說，控制器操作以在狀態S1至S6之間雙向地轉移開關設備，其中S2 和S5 (以及實際上的S1和S6)可以根據設備數據表被固定，並且其中S3和S4由低電流穩 定和低電壓穩定的級別的選擇來定義。在實施方式中，低電流穩定可以包括非常低的電流， 例如小於 100mA、10mA、1mA 或 0. 1mA。
[0071] 圖4中示出了隨著時間在各種狀態之間的轉移。圖4在Y軸上示出了電壓/電流， 該Y軸還示出了 Vce、Ic和Vg的變化，但是在該圖中這些變化是對應X軸上的時間被示出 的，而不是對應柵極電荷。在示出的示例中，設備以飽和關閉狀態S1開啟並且轉移向飽和 開啟狀體S6,並且因此顯示了設備開啟。然而相應地，類似的一組曲線可以順著相反的方向 來將設備關閉。如時間軸上的注釋所示，通過開關控制器接收轉移至特定狀態的指令（例 如"轉移至S2"），設備被從一個狀態轉變至另一個，並且一旦達到相關狀態，開關控制器返 回確認"0K"。在上文描述的系統的環境中，開關設備控制器從中央或子控制器接收狀態改 變指令。為了同步控制多個開關，中央或子控制器向多個設備發送所有設備都移動至相同 的、定義的狀態的指令，並且接下來在繼續發送出用於下一個狀態改變的指令之前等待來 自所有這些開關設備控制器的確認。在這種方式中，控制開關同步進行轉移。這也便於在 開關過程中平衡多個設備之間的電流/電壓，以使得例如在一個設備其它設備被切換之前 看不到組合的整個電壓/電流。此外，由於在狀態之間的轉移是可逆的，所以如果故障被檢 測到（或者由開關設備控制器指示），一個設備或設備組可以轉移回至較早的狀態。這可以 被用於在檢測到故障或潛在故障時將一組開關設備返回至已知"良好的"或安全的狀態，以 為了減少設備中附帶損壞的風險。
[0072] 在圖4中示出的狀態對應於在圖3a中示出的狀態，但是在圖4中，由於狀態存留 持續時間周期，所以每個狀態由穩定指示而不是由相關曲線上的點指示。在圖4中示出的 狀態之間的一些轉變沒有時間約束：例如在狀態S1和S2以及S5和S6之間的轉變會緩慢 地發生，這是由於在這些區域中Vce或Ic沒有變化。因此對於這些狀態，由中央/子控制 器發出的指令上沒有時間限制。相比較之下，對於狀態S3和S4來說優選的是相對短的持 續時間，並且在狀態S2和S5之間的Vce和Ic 一起改變的區域上，優選的是採用本地反饋 控制來控制這些狀態之間的轉變。
[0073] 現在參照圖5,示出了根據本發明實施方式的功率半導體開關設備控制器500,被 配置為控制功率半導體開關設備進入上述的狀態S1至S6中所選擇的一者。類似於圖1中 的元件以相同的參考標號來指示。
[0074] 在圖5中，模擬控制電路138包括放大器502,該放大器502驅動可控電流源（以 及匯點）504,該可控電流源504轉而向IGBT132的柵極提供電流驅動信號。電壓反饋電路 142向縮放電路506提供電壓感測信號以由係數α縮放被感測的信號，並且電流感測電路 144向第二縮放電路508提供電流感測信號，該第二縮放電路508由係數β縮放電流感測 信號。縮放的電壓和電流感測信號被提供至結合的電路510,尤其是為電流放大器502、504 提供錯誤信號的差分電路。這些電路模塊在一起提供了激活的反饋控制機制，該激活的反 饋控制機制被設計為根據在外部開關電路中的被感測的電壓和電流將開關設備保持在被 定義的狀態。
[0075] 第二、閾值狀態控制迴路通過柵極電壓反饋線516提供，在電路518中，該柵極電 壓反饋線516與柵極電壓參考相比較以得到柵極電壓控制輸出520,也用於向電流放大器 502/504提供錯誤信號。開關522能夠在激活狀態控制迴路和柵極電壓控制迴路的輸出之 間切換，以使得柵極電壓控制可以被採用直到狀態S2並超過在狀態S5,並且激活狀態控制 迴路在狀態S2和S5之間採用。
[0076] 數字控制器130提供了一組控制信號以設置反饋增益參數α和β、電壓和電流偏 置值、柵極電壓參考以及開關522的位置。控制器還接收感測信號以感測Vce、Ic和Vg的 值。控制器包括一組寄存器530,用於儲存用於狀態S1至S6的每一個狀態的各個控制系統 參數。
[0077] 在示出的開關位置中，所感測的柵極電壓與參考（或者要求的）柵極電壓信號相 比較以生成錯誤信號。該錯誤信號不僅驅動進出負反饋控制環路中的開關設備的控制柵極 的電流，而且還可以被與零相比較以確定何時達到目標柵極電壓，以從而達到期望的狀態 S2或S5。（值得注意的是，由於Vce基本上沒有改變，素以米勒電容在此處沒有起到作用）。
[0078] 為了經由狀態S3和S4在狀態S2和S5之間轉移，數字控制器140定義了有效阻 抗值，用於計算電壓和電流反饋增益參數，繼而定義了控制環路的性能。測得的Vce和Ic 感測信號被用於確定有效阻抗，以及數字控制器控制α和β以將IGBT轉移至由目標有效 阻抗定義的操作曲線上的位置。在低電流穩定狀態S3中，設備具有高目標阻抗，在低電壓 穩定狀態S4中，設備具有低目標阻抗。目標阻抗被改變，以在狀態S3和S4之間轉移，並且 目標電阻可以符合等式：
[0079]

【權利要求】
1. 一種用於控制半導體開關設備進入多個狀態中所選擇的一者的半導體開關設備控 制器，所述狀態包括全關閉狀態、飽和開啟狀態、以及在所述全關閉狀態和所述飽和開啟狀 態之間的至少一個中間狀態，所述半導體開關設備具有第一和第二輸入/輸出端和控制 端，所述開關設備控制器包括： 接口，該接口用於接收設備指令數據以及為所述開關設備定義所指令的所述狀態； 電壓感測輸入，該電壓感測輸入用於感測在所述輸入/輸入端的電壓； 電流感測輸入，該電流感測輸入用於感測經由所述輸入/輸出端流經所述半導體開關 設備的電流； 控制輸出，該控制輸出用於向所述控制端提供驅動信號； 反饋控制電路，該反饋控制電路被耦合至所述電壓感測輸入、所述電流感測輸入以及 所述控制輸出，以提供響應於所感測的電壓和所感測的電流的所述驅動信號，其中所述反 饋控制電路具有一個或多個可調參數，並且其中所述驅動信號對所述感測的電壓和所述感 測的電流的所述響應依賴於所述一個或多個可調參數；以及 電路控制器，該電路控制器被耦合至所述接口和所述反饋控制電路，其中所述電路控 制器被配置為控制響應於所述指令數據的所述一個或多個可調參數；以及 其中所述一個或多個參數的狀態確定由來自所述反饋控制電路的所述驅動信號設置 的所述開關設備的狀態，並且其中所述所指令的狀態定義所述一個或多個可調參數的狀 態，以用於所述電路控制器控制所述功率半導體開關設備進入所述全關閉狀態、所述飽和 開啟狀態和所述至少一個中間狀態。
2. 根據權利要求1所述的開關設備控制器，其中所述半導體開關設備是絕緣柵設備， 並且其中所述反饋控制電路包括可控電流驅動電路來控制響應於所述一個或多個可調參 數的所述狀態的流入/流出所述控制端的電荷。
3. 根據權利要求1或2所述的半導體開關設備控制器，其中所述反饋控制電路是負反 饋控制電路，該負反饋控制電路被配置為控制所述半導體開關設備至一阻抗值，其中所述 一個或多個可調參數包括所述負反饋控制電路的一個或多個控制環路增益參數，並且其中 所述電路控制器被配置為控制所述一個或多個控制環路增益參數以調整所述阻抗值，以使 得所述半導體開關設備在所述多個狀態中的狀態之間轉移。
4. 根據權利要求1、2或3所述的半導體開關設備控制器，還包括耦合至所述電壓感測 輸入、所述電流感測輸入以及所述控制輸入中的一者或多者的開關設備狀態檢測系統，用 於檢測何時所述開關設備處於所指令的狀態，並且其中所述電路控制器被配置為當達到所 述所指令的狀態時從所述接口發送確認數據。
5. 根據前面任一權利要求所述的半導體開關設備控制器，其中所述至少一個中間狀態 包括關閉閾值狀態，在該關閉閾值狀態中，所述驅動信號的電壓大於零並且小於所述半導 體開關設備的開啟閾值電壓，並且其中所述參數包括第一電壓參考參數。
6. 根據前面任一權利要求所述的半導體開關設備控制器，其中所述至少一個中間狀態 包括開啟閾值狀態，在該開啟閾值狀態中，所述驅動信號的電壓小於用於所述飽和開啟狀 態的所述驅動信號的電壓並且大於所述半導體開關設備的關閉閾值電壓，並且其中所述參 數包括第二電壓參考參數。
7. 根據前面任一權利要求所述的半導體開關設備控制器，其中所述至少一個中間狀態 包括由所述驅動信號的值定義的閾值狀態，並且其中所述反饋控制電路包括閾值狀態控制 反饋環路，該環路具有來自所述控制輸出的輸入並且被配置為控制所述驅動信號至由對應 於所指令的所述閾值狀態的所述可調參數定義的值。
8. 根據前面任一權利要求所述的半導體開關設備控制器，其中所述至少一個中間狀態 包括所述功率半導體開關設備的激活狀態，並且其中所述反饋控制電路包括激活狀態控制 環路，該環路具有來自所述電壓感測輸入和所述電流感測輸入中的一者或二者的輸入並且 被配置為控制所述驅動信號至由對應於所指令的所述激活狀態的一個或多個所述可調參 數定義的值。
9. 根據權利要求8所述的半導體設備控制器，其中所述激活狀態包括激活低電流狀 態，在所述激活低電流狀態中，所述感測的電流大於零並且小於在所述半導體開關設備的 所述飽和開啟狀態中所述所感測的電流的值。
10. 根據權利要求8或9所述的半導體設備控制器，其中所述激活狀態包括激活低電壓 狀態，在所述激活低電壓狀態中，所述所感測的電壓小於在所述全關閉狀態中所述所感測 的電壓並且大於所述飽和開啟狀態的所述所感測的電壓。
11. 根據權利要求8、9或10所述的半導體設備控制器，其中所述激活狀態控制環路包 括被耦合至所述電壓感測輸入的第一控制電路和被耦合至所述電流感測輸入的第二控制 電路，其中所述第一控制電路包括響應於第一、電壓縮放參數來縮放所述所感測的電壓的 電路，其中所述第二控制電路包括響應於第二、電流縮放參數來縮放所述所感測的電流的 電路，並且其中所述電路控制器被配置為通過改變所述電壓縮放參數和所述電流縮放參數 中的一者或二者來控制至/從所述所指令的激活狀態的轉變，以控制所述半導體開關設備 的有效阻抗。
12. 根據前面任一權利要求所述的半導體設備控制器，其中所述電路控制器被配置為 控制所述一個或多個可調參數以定義兩個或四個所述中間狀態。
13. 根據權利要求12所述的半導體設備控制器，其中所述中間狀態包括激活低電流狀 態和激活低電壓狀態，在所述激活低電流狀態中，流經所述半導體開關設備的所述電流在 全關閉電流和飽和開啟電流之間的中間，在所述激活低電壓狀態中，所述所感測的電壓在 所述半導體開關設備的全關閉電壓和飽和開啟電壓之間的中間。
14. 一種使用開關設備控制器來控制半導體開關設備的開關的方法，該方法包括： 接收使得所述半導體開關設備從初始全關閉或飽和開啟狀態切換至中間狀態的指 令； 控制所述半導體開關設備從所述初始狀態進入所述中間狀態； 確定所述半導體開關設備處於所述中間狀態； 響應於所述確定，確認所述開關設備處於所述中間狀態； 在所述確認之後，接收從所述中間狀態切換至隨後狀態的進一步指令；以及 控制所述半導體開關製備進入所述隨後狀態。
15. 根據權利要求14所述的方法，包括當在所述全關閉狀態和所述飽和開啟狀態之間 切換時，控制所述半導體開關設備進入多個連續的所述中間狀態，該方法還包括在轉移至 隨後的所述中間狀態之前，確定所述半導體開關設備處於每個連續的所述中間狀態。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中所述中間狀態包括下述中的兩個或更多： 關閉閾值狀態，其中所述半導體開關設備的控制電壓大於零並且小於所述半導體開關 設備的開啟閾值電壓； 開啟閾值狀態，其中所述半導體開關設備的控制電壓小於所述設備的飽和開啟電壓並 且大於所述半導體設備的關閉閾值電壓； 激活低電流狀態，其中通過所述半導體開關設備的電流在全關閉電流和飽和開啟電流 之間的中間；以及 激活低電壓狀態，其中在所述半導體開關設備兩端的電壓小於所述設備兩端的全關閉 電壓並且大於當所述設備飽和開啟時所述設備兩端的電壓。
17. -種用於控制半導體開關設備的開關設備控制器，該開關設備控制器包括： 接口，用於接收指令和發送確認； 用於接收使得所述半導體開關設備從初始全關閉或飽和開啟狀態切換至中間狀態的 指令的裝置； 用於控制所述半導體開關設備從所述初始狀態進入所述中間狀態的裝置； 用於確定所述半導體開關設備處於所述中間狀態的裝置； 用於響應於所述確定，確認所述開關設備處於所述中間狀態的裝置；以及 用於在所述確認之後接收從所述中間狀態切換至隨後狀態的進一步指令的裝置；以及 用於控制所述半導體開關設備進入所述隨後狀態的裝置。
18. -種用於控制半導體開關設備的半導體開關設備控制器，所述半導體開關設備具 有第一和第二輸入/輸入端以及控制端，該開關設備控制器包括： 控制輸入，該控制輸入用於接收用於控制所述半導體開關設備的狀態的控制信號； 電壓感測輸入，該電壓感測輸入用於感測在所述輸入/輸入端上的電壓； 電流感測輸入，該電流感測輸入用於感測經由所述輸入/輸出端流經開關設備的電 流； 控制輸出，該控制輸出用於向所述控制端提供驅動信號；以及 反饋控制系統，該反饋控制系統被耦合至所述電壓感測輸入、所述電流感測輸入以及 所述控制輸入和所述控制輸出； 其中所述控制信號定義了所述半導體開關設備的目標有效阻抗，並且其中所述反饋控 制電路被配置為控制所述驅動信號以使得所述所感測的電壓和所述所感測的電流一起實 現所述目標有效阻抗。
19. 根據權利要求18所述的半導體開關設備控制器，其中所述反饋控制系統是負反饋 控制系統，該負反饋控制系統被配置為根據在所述目標有效阻抗與從所述所感測的電壓和 所述所感測的電流確定的設備阻抗之間的差值來提供驅動信號，並且其中所述負反饋控制 系統被配置為將所述差值向零降低。
20. 根據權利要求18或19所述的半導體開關設備控制器，其中所述負反饋控制系統包 括被耦合至所述電壓感測輸入的第一控制電路和被耦合至所述電流感測輸入的第二控制 電路，其中所述第一控制電路包括響應於第一、電壓縮放參數來縮放所述所感測的電壓的 電路，其中所述第二控制電路包括響應於第二、電流縮放參數來縮放所述所感測的電流的 電路，其中所述第一控制電路和所述第二控制電路被耦合以提供定義了所述半導體開關設 備的所感測的設備阻抗的信號，並且其中所述驅動信號響應於所述目標有效阻抗和所述所 感測的設備阻抗的結合。
21. 根據權利要求20所述的半導體開關設備控制器，其中所述控制輸入被耦合以控制 所述第一和第二控制電路各自的所述電壓縮放參數和所述電流縮放參數來定義所述目標 有效阻抗。
22. 根據權利要求19、20或21所述的半導體開關設備控制器，還包括差分器和驅動器 電路，該差分器耦合至所述第一和第二控制電路，用於根據在所述所縮放的感測的電壓和 所述所縮放的感測的電流的差值來提供差值信號，該驅動器電路耦合至所述差分器和所述 控制輸出，用於提供響應於所述差值信號的所述驅動信號。
23. 根據權利要求22所述的半導體開關設備控制器，其中所述半導體開關設備是絕緣 柵設備，並且其中所述驅動器電路包括可控電流設備電路以控制響應於所述差值信號的流 入/流出所述半導體開關設備的所述控制端的電荷。
24. -種控制半導體開關設備的方法，該方法包括： 感測在所述半導體開關設備的第一和第二輸入/輸出端兩端的電壓； 感測通過所述半導體開關設備流經所述第一和第二輸入/輸出端之間的電流；以及 響應於所感測的電壓和電流，控制所述半導體開關設備的控制端上的信號，以使得所 述半導體開關設備表現為類似無源電阻。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中所述半導體開關設備是絕緣柵設備，並且其中 所述控制連接包括至所述絕緣柵的連接,所述方法還包括控制向所述絕緣柵注入電荷或從 所述絕緣柵移除電荷，以響應於設備的目標有效阻抗控制所述所感測的電壓與所述所感測 的電流的比。
26. -種用於控制IGBT的開關的半導體開關設備控制器，該開關設備控制器包括： 一個或多個寄存器的組合，用於儲存定義了目標柵極電壓值Vg、目標集電極電流值 Ic、目標集電極-發射極電壓值Vce以及目標有效阻抗值Re中的一者或多者的數據； 反饋控制環路，被配置為控制所述IGBT的所述Vg、Ic和Vce ;以及 控制器，用於根據所述所儲存的數據控制所述反饋控制環路來將用於所述IGBT的所 述Vg、Ic和Vce中的一者或多者作為目標；以及 其中所述控制器被配置為將由所述Vg、Ic、Vce和Re中的一者或多者定義的中間狀態 作為目標來控制所述IGBT的所述開關。
27. 根據權利要求26所述的半導體開關設備控制器，其中所述寄存器被配置為儲存定 義了所述Vg以及所述Ic和Vce或所述Re的數據，並且其中所述數字控制器被配置為將所 述IGBT保持在多個所述中間狀態，其中每個所述中間狀態由所述Vg、Ic、Vce和Re中的一 者或多者定義。
28. 根據權利要求26或27所述的半導體開關設備控制器，其中所述數字控制器被配置 為通過根據由所述IGBT的集電極發射極電壓和集電極電流的組合所定義的目標IGBT阻抗 控制所述反饋控制環路來將所述中間狀態作為目標。
29. -種用於控制MOSFET的開關的半導體開關設備控制器，該開關設備控制器包括： 一個或多個寄存器的組合，用於儲存定義了目標柵極電壓值Vg、目標漏極電流值I D、目 標漏極-源極電壓值VDS以及目標有效阻抗值Re中的一者或多者的數據； 反饋控制環路，被配置為控制所述MOSFET的所述Vg、ID和VDS ;以及 控制器，用於根據所儲存的數據控制所述反饋控制環路來將所述MOSFET的所述Vg、ID 和VDS中的一者或多者作為目標；以及 其中所述控制器被配置為將由所述Vg、ID、VDS和Re中的一者或多者定義的中間狀態作 為目標來控制所述MOSFET的所述開關。
30. 根據權利要求20所述的半導體開關設備控制器，其中所述寄存器被配置為儲存定 義了所述Vg以及所述ID和V DS或所述Re的數據，並且其中所述數字控制器被配置為將所 述MOSFET保持在多個所述中間狀態，每個所述中間狀態由所述Vg、I D、VDS和Re中的一者或 多者定義。
31. 根據權利要求29或30所述的半導體開關設備控制器，其中所述數字控制器被配置 為通過根據由所述MOSFET的漏極-源極電壓和漏極電流的組合所定義的目標MOSFET阻抗 控制所述反饋控制環路來將所述中間狀態作為目標。
【文檔編號】H03K17/082GK104054264SQ201280063894
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2012年11月19日 優先權日:2011年12月23日
【發明者】E·謝爾頓, M·斯努克 申請人:阿曼提斯有限公司