驅動功率半導體元件的方法

2023-07-14 17:32:36

專利名稱:驅動功率半導體元件的方法
技術領域：
本發明涉及大功率電子學領域。
本發明涉及驅動功率半導體元件的一種方法，該功率半導體元件是一種集成門雙電晶體(IGDT)，帶有兩個可控門，第一門提供在陰極一側，並通過一個低電感的第一門連接端由第一門電流所驅動，而第二門提供在陽極一側，並通過一個低電感的第二門連接端由第二門電流所驅動。
本發明還涉及實現這種方法的一種電路裝置。
背景技術：
在功率半導體電子學領域裡，為了尋找最佳關斷半導體元件，已經造出多種快速、強大功率的半導體元件。為了實現切換更大的功率，就必須降低正在變得越來越小的半導體元件的損耗。動態關斷損耗和穩態電導或截止損耗都會導致高溫，並限制了關斷功率和頻率。
門關斷晶閘管(GTO)是一種關斷半導體元件-多年以來已經是眾所周知-它具有特性恢復時間以及大於1的關斷增益。為了切斷，將一個以正向電流形式的關斷指令加到該GTO的陰極門上。其門電流受控於一個門驅動器。關斷指令和實際關斷過程之間的恢復或反應時間是實際切換持續時間的好幾倍，而且有賴於當前的工作狀態，特別是有賴於被關斷的電流強度，以及門驅動器。這特別使得GTO的無延緩(snubberless)切斷成為不可能，而且串接和並接都很複雜。
正如在Tsuneo Ogura等人在「High-Frequency 6000V DoubleGa te GTOs」，1993，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.40.No.3中所描述，與一般的GTO相比，雙門GTO在陽極側多了一個門，這樣就使得用在元件兩側的相應的門驅動器來啟動關斷操作成為可能。顯著降低關斷損耗的這個優點被顯著地更複雜的門驅動器所抵消。這是因為，假如GTO依不同的工作狀態而定就已經有相當長的反應時間，則雙門GTO會以更為複雜的方式作反應就不足為奇了。在陰極側和陽極側，會有顯著不同的恢復時間，這又有賴於相應的工作狀態以及兩個門驅動器。因此，雙門GTO的切換未必僅僅與延時有關，它還需要在兩個門驅動器之間的極為精確的定時，這要依工作狀態而定。因此驅動一個雙門GTO的時間圖要比一般的GTO複雜得多。由於這個原因，儘管十多年前就已經被人知曉，並可能有相當大的優點，但在實踐中雙門GTO並未被接受。
正如在S.Eicher等人在「The 10 kV IGCT-A New Device forMedium Voltage Drives」，IEEE-IAS 2000中所描述的那樣，集成門換向晶閘管(IGCT)是具有小於或等於1的切換增益和很短的反應時間的另一種關斷半導體元件。IGCT是一種「硬」驅動溝的GTO。「硬」驅動這個概念是基於一種新型的門驅動器，以及與有源部分的一種很低電感的門連接。這就帶來一連串的顯著好處，特別是它具有極短的切換延遲時間、有可能得到無延緩的電路，以及改進串接電路的可能性等。與GTO相比，它還有可能提高切換功率，一般來說可以高到一個固定的單位面積比切換功率。因此，複雜的GTO縮放規則也就可以免去了。加之，作為均勻地獲得的單位面積比切換功率的結果，IGCT避免了局部過熱，以及所導致的熱不穩定性。

發明內容
本發明的目的在於為驅動集成門雙電晶體(IGDT)提供一種方法，它是依據IGDT的特性專門設計的，因而使IGDT得到最佳的工作，並且提供了用於實現這個方法的一種電路裝置。
該目的是通過具有權利要求
1的特徵的一種方法，以及具有權利要求
7或8的特徵的電路裝置而實現的。
按照本發明所指出的方法來驅動，IGDT的強度會得到最佳的利用。
在每種情況下，以一個或兩個門的硬驅動，就有可能使開關損耗降到最低，作為快速開關，並且減少尾隨電流的結果。
特別是在IGDT的切斷操作中，與一般的IGCT相比，陽極門的硬驅動會使得關斷損耗的相當大的減小，特別是有可能採用電荷載流子壽命的其它設置(壽命控制技術)。
壽命控制的優化加上高增益陽極結構，致使與一般的IGCT相比，IGDT的接通態損耗可下降20-50％。
通過開關和接通損耗的同時降低，就有可能設計出比一般IGCT的電壓(6kV)更高電壓(10kV)的IGDT。
在IGDT的關斷操作中通過兩個門來限制IGDT上的電壓的上升速率，以及/或者通過在IGDT已關斷態藉助兩個門來控制陽極和陰極之間的反向電流，IGDT在串接電路中的應用就會得到簡化。
限制IGDT上的電壓上升速率，就可以阻止在IGDT的串接電路中的不同速度的電壓增長，因而也就可以阻止因不同的負荷而引起的過熱，或者甚至毀壞個別的IGDT。同樣地在已關斷態情況下，此時不等的反向電流會導致在個別的IGDT上電壓降的差異，接著就引起巨大的負載，直至毀壞個別的IGDT。與一般的IGCT相比，IGDT的陽極門可以使反向電流降低高達50％。因此按照本發明的方法，可以將關斷功率半導體元件串聯連接，而無須並接電阻器。
還有，IGDT並接電路的使用是有可能的，因為事實上在IGDT的開啟操作中，陽極電流的上升速率通過兩個門受到限制。
在已關斷態情況下，通過兩個門來限制陽極和陰極之間的反向電流，IGDT可以在更高的耗盡層溫度下工作，因而擴大了IGDT的安全工作面(SOA)。
依靠上述的優點而能夠遵守改善的熱平衡，使得IGDT可在與一般的IGCT相比高出100％的開關頻率下工作。
與一般的雙門GTO相反，在關斷期間，IGDT的其中一個門的門電流是可以受控制的。因此有可能阻止危險的電壓尖峰的產生，比如說，當突然切斷(階躍)二極體或雙門半導體元件的電流時就會這樣。
還有其它的有益的實施方案將會從整個從屬權利要求
中出現。



為了提供更好的理解，並為了指出所得到的好處，下面將參照附圖對本發明進行更加詳細的解釋圖1用圖解示出一個集成門雙電晶體IGDT的截面圖，帶有一個陰極第一門和一個陽極第二門，圖2示出圖1中IGDT的電路符號，圖3示出圖1中IGDT的等效電路圖，圖4示出圖1中的IGDT，四串接的IGDT疊層中帶有一個陰極門驅動器和一個陽極門驅動器，圖5至7示出用於串接的IGDT的門驅動器的各種實施例，圖8示出處於電流控制的關斷操作中，IGDT的等效電路圖的一個實例，圖9示出在IGDT處於關斷態時的等效電路圖，圖10示出IGDT處於關斷過程，正在加速關斷而沒有殘留電流的曲線圖，圖11示出IGDT處於關斷過程，正在限制陽極-陰極電壓的上升速率的曲線圖，圖12示出IGDT處於關斷過程，正在限制陽極電流的上升速率的一個曲線圖，圖13示出IGDT處於傳導態，正在限制陽極電流時的曲線圖，以及圖14示出用以測試IGDT的電路。
具體實施方式
在所有的附圖中，相同的參考符號對應著相同的工作部件。
集成門雙電晶體IGDT有一個帶有四個半導體層的基片，在每種情況下在其兩側備有兩個電連接端。
圖1以圖解形式示出帶有四個不同摻雜的半導體層的該IGDT的橫截面，-一個陽極外p型摻雜的陽極層，-一個兩部分的n型摻雜基區層，帶有集成的n型緩衝區，-一個p型摻雜基區層，以及還有-一個陰極外n型摻雜的陰極層。
在IGDT兩側分別有一個主連接端，陽極A和陰極K，還有一個門連接端，第一門G1在陰極一側，第二門G2在陽極一側。
圖2示出IGDT的符號。在本說明書中，按照本示圖的箭頭方向的正值是用於代表電壓和電流的。
圖3示出帶有一個陽極pnp電晶體和一個陰極npn電晶體的IGDT的一個等效電路圖。
正如圖1所指出的，兩個門連接端是以旋轉對稱的方式作成的，並從IGDT的管殼引導通過主連接端。這樣就得到低電感的連接端，其內部電感小於100nH(是用金屬片代替半導體基片在陽極和第二門連接端G2之間或者在陰極和第一門連接端G1之間進行測量的)。
圖4示出一個四層串接的IGDT，帶有管殼和連接在兩側的門驅動器單元GU1和GU2。如圖示那樣，門驅動器單元是安放在一個兩面帶有金屬化層的印刷電路板上的。比如在陽極一側，一個面對IGDT的金屬化層是連接到第二門連接端G2上的。另一個金屬化層連接到陽極連接端上。為此，印刷電路板和門金屬化層在陽極連接端區處被去除，以便讓陽極連接端通過印刷電路板上的一個孔與金屬化層相接觸。
從管殼引出的兩個門連接端G1和G2之間有一個隔離空間，它至少可以經受IGDT的最高工作電壓。
當沒有電流在陽極和陰極之間以最大允許的陽極-陰極電壓流動時，IGDT會處於阻塞態，該電流會引致半導體溫度的不斷上升並最後直至毀壞半導體。
IGDT是處於傳導態，當陽極-陰極的電導率是如此之大，致使最大的陽極-陰極允許電流不會導致半導體溫度的不斷上升和最終毀壞半導體時。
藉助在兩個門連接端之一處使用一個正觸發電流，就可以使IGDT在陽極和陰極之間進入為傳導態。
在合適的操作期間，當從阻塞態轉變為傳導態過程中，IGDT允許陽極電流有很高的上升速率，可以高於20A/μs/cmsi2。
在陽極和陰極之間有足夠大的電流時(最大允許電流的百分之幾)，甚至在沒有門電流的情況下，元件仍維持它的傳導態。
在其中之一或同時在兩個門連接端上，加上足夠大的負門電流，IGDT可以從傳導態轉成阻塞態。
依據門驅動器，當從傳導態轉變成阻塞態時，可以實現很大的陽極電流的變化速率。而且，IGDT允許在陽極和陰極之間有很高的電壓上升速率(高於1kV/μs)。
在從傳導態到阻塞態的轉變過程中，憑藉兩側的門是在低電感形式下被驅動，不用緩衝電路的操作對IGDT來說也是可能的。
為了讓IGDT進入傳導態或阻塞態，可以用一個控制電路單元來操作兩個或者只是其中的一個門。在這種情況下，各種信號都允許通過這兩個門連接端。
門驅動器必須設計成能夠產生為操作兩個門所需的門電流，其上升速率要高於20A/μs/cmsi2。必須能夠同時產生兩個門電流，或只有短暫的錯動。
IGDT的關斷非常迅速，這是由於以很快的上升門電流加到陽極門、陰極門上，或者同時地或有短暫的錯動地加到兩個門上。特別是在兩側都進行關斷驅動時，一般的GCT中出現的尾隨電流實際上完全消失，因為電荷載流子通過兩側被驅動的門而迅速地從IGDT內部被移開。因此切換損耗就急劇地減小。與一般的雙門GTO相比，在此應該考慮到IGDT的門能夠不受當前的工作狀態的影響而被驅動，以及尤其在第一和第二門電流之間並不需要或者需要很短的0-10μs(特別是0-6μs)的短暫延時，以便令尾隨電流完全消失。很陡峭上升的門電流因此能夠實際上是同步地加到門連接端上。
陽極電流的快速下降以及尾隨電流的消失，帶來動態開關損耗的可觀的減小。
圖10示出採用陽極電流IA的短暫曲線和陽極-陰極電壓UAK時IGDT的快速關斷，在關斷過程中兩個門G1和G2處使用不同的電壓，而且有2μs的短暫錯動。在靠上邊的曲線中，陽極電流IA和陽極-陰極電壓UAK是依時間畫出的，而在靠下面的曲線是兩個門的電壓。
圖10至13所示出的曲線是按照圖14的測試安排進行的測量。
應該特別強調的是，在串接或並接電路中使用IGDT作為關斷功率半導體元件是有可能得到改進的。在這種情況下，應該保證串接元件的載荷是在安全工作區內，以便不要對元件的壽命帶來負面影響。
作為一個例子，在元件在開啟或關斷過程中，陽極-陰極電壓的變化速率要受到限制，以便在串接電路中的所有元件上都能夠得到均勻的電壓分布。
或者，在已關斷態時，反向電流要受到控制(增加或減小)，以便在串接電路中所有元件上又都能夠得到均勻的電壓分布。
或者，在元件的開啟或關斷過程中，陽極電流的變化速率要受到限制，以便在並接電路中所有元件上都能夠得到均勻的電壓分布。
在關斷操作中，陽極-陰極電壓的上升速率可以由下面三種方法加以限制
1.用急劇上升的門電流IG2隻驅動陽極門。
圖11示出IGDT在陰極側的關斷和在陽極側的關斷之間的對比。IGDT在陰極側被切斷的情況下，陽極電流IA在2.5μs以後下降很多，而陽極-陰極電壓UAK在0-2.5μs之間陡峭上升。當IGDT是在陽極側被關斷的情況下，陽極電流只在6μs之後陡峭下降，而且陽極-陰極電壓UAK相應地以更長時間也更為漸進地增長。
2.利用一個急劇上升並且足夠大的門電流IG2使陽極電流IA趨於零，然後均勻地降低陰極門電流GG1，使之從其最大值回到零。在這種情況下，可以從圖8的等效電路圖中看到，陽極電晶體是通過門驅動器被短路的。陰極電流IK是相應地被陰極電晶體，被門電流IG1均勻地下降回到零。
3.利用一個急劇上升並且足夠大的門電流IG1使陰極電流趨於零，然後均勻地降低陽極門電流IG2，使之從其最大值回到零。在這種情況下，可以從等效電路看到，陰極電晶體是通過門驅動器被短路的。陽極電流是相應地被陽極電晶體，被門電流IG2均勻地下降回復到零。
為了控制已關斷態的反向電流，如圖9所示，在陰極第一門G1上加上一個負的門電壓UCK。在陽極門上加上一個小的正門電流IG2，反向電流就會上升。正的門電流被內部半導體(pnp電晶體)作線性放大(接近1∶1)，因而反向電流就增加。由於在陽極門的負門電壓UAG的緣故，反向電流就會減小。按照本發明，依靠至少兩個串接的IGDT的這種驅動，有可能省去為了使分布在元件上的不相等電壓相等起來的靜態並聯電阻(共用電阻)。
在兩個門之一上加上一個負門電壓，並將另一個門接上一個正門電流，在開啟操作中就能夠限制陽極電流的上升速率。陽極電流的曲線因而有賴於負載，有賴於門電流的曲線，同時有賴於半導體元件的設計。相應的實例示於圖12中。在-10到0μs範圍內，將一個負門電壓UAG＝-20V加到第二門G2上，同時將IG1＞50A的正門電流加到第一門G1上。與IGCT相反，IGDT此時並不觸發，反而允許陽極電流IA受控於正門電流IG1。此時的典型增益係數是500。
可以將IGDT從開啟態和關斷態兩種情況下轉到電流引導態。在這種情況下，陽極電流直接由門電流所確定。為此目的，要關斷陽極第二門G2(陽極電流IA是由一個足夠大的負門電流IG2所「轉向」)，致使由陰極第一門電流IG1控制的一個負載電流在陰極一側形成。這樣一來，就有可能在開啟態中阻止或者快速減小陽極的過電流，或者在關斷操作態中阻止或快速減小陽極-陰極的過電壓。
圖13示出一相應實例。在時間0μs時，第二門G2被關斷，而第一門G1繼續受10A所驅動。在陽極一側，門電壓UAG在10μs之內上升到其最大值(接近800-900V)，而陽極電流IA下降到一個與負載有關的數值(500A)。18μs後，第二門G2再被重新開啟。
圖5到7示出在多個串接的IGDT中，門的連接端的如何安排和如何供電的多種可能性。所指出的這些安排的優點在於將驅動串接元件的成本減至最小。
在每種情況下，一個門驅動器含有兩個門驅動器單元，它們是依次分別或者共同由一個電源單元供電。
圖5示出第一種安排，其中兩個門驅動器單元各驅動一個IGDT的第一門G1和第二門G2。兩個驅動器單元的電源是耦合的。總電源或者由外電路引進，或者由被驅動的IGDT的陽極-陰極電壓得到。這樣，n個IGDT只需要n個門驅動器。
圖6示出第二種安排，其中一個門驅動器驅動串接的兩個IGDT的相鄰的兩個門-在同一電位。用以控制該兩個門的電源是直接相互耦合的，並又組成一個單元。這樣，n個IGDT需要n+1個門驅動器。
最後，圖7示出第三種安排，其中一個門驅動器還是驅動兩個串接的IGDT的兩個相鄰的門。然而，電源是按照第一種安排配備的，這樣每個IGDT有專用的電源以供給它的兩個門。
參考符號表1 半導體基片A 陽極G1，G2門GU1，GU2門驅動器單元IA，IK陽極電流，陰極電流IG1，IG2門電流K 陰極UAG，UGK門電壓
UAK陽極-陰極電壓
權利要求
1.一種驅動功率半導體元件的方法，該功率半導體元件是一種集成門雙電晶體(IGDT)，它包括在陽極(A)和陰極(K)端子之間的一個四層半導體的基片(1)，具有一個陽極外p型摻雜的陽極層，一個鄰近所述外p型摻雜的層的兩部分的n型摻雜基區層，帶有集成的n型緩衝區，一個鄰近所述n型摻雜基區層的p型摻雜基區層，以及一個鄰近所述p型摻雜區層的陰極外n型摻雜的陰極層，以及兩個門(G1，G2)，可以通過低電感門連接端而對其加以控制，在接觸所述p型摻雜的基區層的陰極側上提供第一門(G1)和在接觸所述n型摻雜的基區層的陽極側上提供第二門(G2)，在該方法中，通過硬驅動僅第一門(G1)，僅第二門(G2)，或者，同時地或有短暫錯動地硬驅動兩個門，或者，通過硬控制這兩個門中的一個門，和電流或電壓控制這兩個門中的另一個門，如下操作IGDT在關斷該IGDT的操作中，開關損耗通過該兩個門(G1，G2)由於下面事實而得到降低在關斷操作的開始過程中，第二門電流(IG2)是以大於20A/μs/cmsi2的上升速率增長，而且在第二門電流(IG2)之後長達6μs，第一門電流(IG1)也以大於20A/μs/cmsi2的上升速率增長；和/或在關斷該IGDT的操作中，該IGDT上的電壓(UAK)的上升速率通過該兩個門(G1，G2)由於下面事實而得到限制利用第一門電流(IG1)以大於20A/μs/cmsi2的上升速率上升，使陰極電流(Ik)回到零，和第二門電流(IG2)接著從其最大值下降回到零，或者利用第二門電流(IG2)以大於20A/μs/cmsi2的上升速率上升，使陽極電流(IA)回到零，和第一門電流(IG1)接著從其最大值下降回到零；和/或在該IGDT的已關斷態中，陽極和陰極之間的反向電流(IA)通過該兩個門(G1，G2)由於下面事實而得到控制將一個負電壓(UGK)施加到第一門(G1)上，和將一個正的第二門電流(IG2)施加到第二門(G2)上，以便增大反向電流(IA)，和將一個負電壓(UAG)施加到第二門(G2)上，以便減小反向電流(IA)；和/或在開啟該IGDT的操作中，陽極電流(IA)的上升速率通過該兩個門(G1，G2)由於下面事實而得到限制將一個連續負門電壓(UAK)施加到第一門(G1)上，和陽極電流(IA)的增長由在第二門(G2)處的一個正的門電流(IG2)所控制，或者將一個連續負門電壓(UAG)施加到第二門(G2)上，和陽極電流(IA)的增長由在第一門(G1)處的一個正的門電流(IG1)所控制；在該IGDT的已開啟態中，陽極電流(IA)通過該兩個門(G1，G2)由於下面事實而得到限制和/或控制第一門(G1)是用一個上升速率大於20A/μs/cmsi2的負的門電流(IG1)所關斷，和陽極電流(IA)由在第二門(G2)處的一個正的門電流(IG2)所控制，或者第二門(G2)是用一個上升速率大於20A/μs/cmsi2的負的門電流(IG2)所關斷，和陽極電流(IA)由在第一門(G1)處的一個正的門電流(IG1)所控制。
2.一種用於實現權利要求
1的方法的電路裝置，它包括多個IGDT的串接電路，通過所述多個IGDT的端子串接而成，每個所述IGDT在陰極端子一側具有第一門，在陽極端子一側具有第二門，多個門驅動器，各含有兩個控制單元，每個控制單元驅動相應的一個門，多個用於為門驅動器提供能量的單元，其中一個門驅動器的第一控制單元驅動第一IGDT的一個陰極門，和該門驅動器的第二控制單元驅動第二IGDT的一個陽極門，該第二IGDT的陽極一側的端子連接到第一IGDT的陰極端子上。
3.如權利要求
2中所述的用於實現權利要求
1的方法的電路裝置，其中在每種情況下，一個電源單元都為一個門驅動器的兩個控制單元提供能量。
4.如權利要求
2中所述的用於實現權利要求
1的方法的電路裝置，其中一個電源單元為第一門驅動器的第二控制單元和/或第二門驅動器的第一控制單元提供能量。
5.一種用於實現權利要求
1的方法的電路裝置，它包括多個IGDT的串接電路，通過所述多個IGDT的端子串接而成，每個所述IGDT在陰極端子一側具有第一門，在陽極端子一側具有第二門，多個門驅動器，各含有兩個控制單元，每個控制單元驅動相應的一個門，為門驅動器提供能量的單元，其中一個門驅動器的兩個控制單元驅動單個IGDT的兩個相應的門。
6.如權利要求
5中所述的用於實現權利要求
1的方法的電路裝置，其中一個電源單元在每種情況下為一個門驅動器的兩個控制單元提供能量。
7.如權利要求
5中所述的用於實現權利要求
1的方法的電路裝置，其中一個電源單元為第一門驅動器的第二控制單元和/或第二門驅動器的第一控制單元提供能量。
專利摘要
集成門雙電晶體(IGDT)有兩個可控門(G
文檔編號H01L29/74GKCN1254015SQ02143782
公開日2006年4月26日 申請日期2002年9月28日
發明者O·阿佩爾多恩, E·克洛爾, P·斯特雷特, A·韋伯 申請人:Abb瑞士有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan