控制觸頭驅動系統技術方案

本發明專利技術涉及多個功率半導體裝置的控制觸頭驅動系統，包括適應于提供參考電流用于上拉和/或下推功率半導體裝置的控制觸頭的電流驅動器單元（1），以及適應于放大和/或分配參考電流到功率半導體裝置的控制觸頭的電流分配器單元（3），其中電流分配器單元（3）包含包括多個基于PMOS的晶體管的上拉電流反射鏡（2）以及包括多個基于NMOS的晶體管的下推電流反射鏡（2），相應上拉晶體管的第二主觸頭和相應下推晶體管的第二主觸頭連接在一起并且適應于提供電流到功率半導體裝置的相應控制觸頭，并且上拉晶體管的控制觸頭全部并聯連接到電流驅動器單元用于接收上拉電流并且下推晶體管的控制觸頭全部并聯連接到電流驅動器單元用于接收下推電流。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及用于多個功率半導體裝置的控制觸頭驅動系統，包括電流驅動器單元，適應于提供參考電流用于上拉(pull-up)和/或下推(push-down)功率半導體裝置的控制觸頭；以及電流分配器單元，適應于放大和/或分配參考電流到功率半導體裝置的控制觸頭。本專利技術還涉及包括控制觸頭驅動系統和多個功率半導體裝置的功率半導體模塊。本專利技術還涉及包括多個更改的功率半導體模塊的功率半導體陣列以及用于操作控制觸頭驅動系統、功率半導體模塊和/或更改的功率半導體模塊的方法。
技術介紹
功率半導體裝置(例如絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate BiopolarTransistor, IGBT)、反向導通絕緣柵雙極晶體管(reverse conducting IGBT)和/或雙模式絕緣柵晶體管(B1-mode insulated Gate Transistor, BIGT))通常用作用于非常高的電流和電壓的快速開關裝置。由于它們的優異的電性質和相對簡單的驅動，IGBT的普及上升。它們廣泛用在諸如電動機控制設備(例如用于混合和電車、機車、船推進、工業設備、機器等)、DC電傳送例如DC-AC轉換器、風力和太陽能電力轉換器和同步器、電力網絡余弦φ補償器、應急電力供應等應用。多個IBGT裸片(die)通常并聯連接地封裝在模塊中，以增加它們的開關能力，如現有技術圖1中所示。在柵極的這樣的并聯連接中出現的問題在于柵極中的缺陷以及特別地柵極和發射極之間的短路連接使模塊中的所有IGBT裝置不可控制。
技術實現思路
因此，本專利技術的目標是提供用于驅動多個功率半導體裝置(例如IGBT)的控制觸頭的系統，以使功率半導體裝置的控制觸頭和主觸頭(main contact)之間(例如IGBT的柵極和發射極之間)的短路不影響整個系統的整體穩定性和/或可控性。此目標由獨立權利要求實現。另外優選的實施例在從屬權利要求中提供。因此，由用于多個功率半導體裝置的控制觸頭驅動系統來達成該目標，該控制觸頭驅動系統包括電流驅動器單元，適應于提供參考電流用于上拉和/或下推功率半導體裝置的控制觸頭；以及電流分配器單元，適應于放大和/或分配參考電流到功率半導體裝置的控制觸頭，其中電流分配器單元包含有包括多個基于PMOS的晶體管的上拉電流反射鏡(current mirror)以及包括多個基于NMOS的晶體管的下推電流反射鏡,所有上拉晶體管的第一主觸頭并聯連接到第一電壓源并且所有下推晶體管的第一主觸頭并聯連接到具有比第一電壓源更低的電壓的第二電壓源，相應上拉晶體管的第二主觸頭和相應下推晶體管的第二主觸頭連接在一起并且適應于提供電流到功率半導體裝置的相應控制觸頭，并且上拉晶體管的控制觸頭全部并聯連接到電流驅動器單元用于接收上拉電流并且下推晶體管的控制觸頭全部并聯連接到電流驅動器單元用于接收下推電流。因此本專利技術的基本思想是提供電流反射鏡用于另外放大和/或分配電流來開關多個功率半導體裝置的個體控制觸頭，例如放大和/或分配正和負電流脈沖到多裸片IGBT模塊的柵極。這樣，控制觸頭驅動系統提供用于驅動多于單個控制觸頭和/或多于單個功率半導體裝置。由于個別地驅動功率半導體裝置和/或功率半導體裝置的控制觸頭，所以控制觸頭的失效(例如IGBT功率半導體裝置的柵極和發射極之間的短路連接)不使所有功率半導體裝置不可控制。控制觸頭驅動系統和/或電流驅動器單元可以實現為電路，例如混合或甚至更好的集成電路，并且優選地囊封在功率半導體模塊內，因此與受控的裝置(例如晶體管)緊密接觸。控制觸頭驅動系統通過提供相等的驅動電流到功率半導體裝置的控制觸頭，從而提供所連接(例如，并聯連接)的所有功率半導體裝置的相等的開關過程，因此避免如由現有技術已知的來自使用個體控制觸頭驅動器的失配。優選控制觸頭驅動系統內使用的所有電氣裝置配備有“良好”匹配的電性質并且放置在相等的環境(在溫度、電源電壓等方面)中，以使用于功率半導體裝置的控制觸頭的相應驅動電流也“良好”匹配。在優選實施例中，作為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、反向導通絕緣柵雙極晶體管(reverse conducting IGBT)、雙模式絕緣柵晶體管(BIGT)和/或由現有技術已知的任何其它功率MOS提供功率半導體裝置。優選作為柵極提供控制觸頭，作為發射極提供第一主觸頭和/或作為功率半導體裝置(例如IGBT)的集電極提供第二主觸頭。優選第一電壓源提供大于零的電壓和/或第二電壓源提供小于零的電壓或相對于功率半導體裝置的主觸頭(例如接地)為零的電壓。在另外的實施例中，用于上拉的電流或上拉電流包括大于零的電流和/或用于下推的電流或下推電流包括小于零的電流。關于上拉晶體管和/或下推晶體管，控制觸頭優選包括柵極，第一主觸頭包括源極和/或第二主觸頭包括相應晶體管的漏極。更優選地，作為場效應晶體管提供上述晶體管。在另外優選的實施例中，上拉電流反射鏡包括基于PMOS的上拉參考晶體管并且下推電流反射鏡包括基于NMOS的下推參考晶體管，上拉參考晶體管的第一主觸頭連接到所有上拉晶體管的第一主觸頭并且下推參考晶體管的第一主觸頭連接到所有下推晶體管的第一主觸頭，上拉參考晶體管的控制觸頭連接到上拉晶體管的控制觸頭并且下推參考晶體管的控制觸頭連接到下推晶體管的控制觸頭，并且上拉參考晶體管的第二主觸頭連接到電流驅動器單元用于接收上拉電流并且下推參考晶體管的第二主觸頭連接到電流驅動器單元用于接收下推電流。因此，根據本實施例，電流(優選來自電流驅動器單元的電流脈沖)施加到參考晶體管，參考晶體管優選地處于“二極管”連接用于限定上拉晶體管和/或下推晶體管的偏置電壓。在特別優選的實施例中，控制觸頭驅動系統包括電流傳感器，用于檢測功率半導體裝置的控制觸頭的故障，其中電流傳感器連接到上拉晶體管的第一主觸頭和/或下推晶體管的第一主觸頭。由于電流傳感器優選適應于測量向電流分配器單元流動的電流值并且在該值大于預定義的閾值的情況下激活警報等，所以這樣的實施例有利于檢測短路的柵極。在另外優選的實施例中，上拉電流反射鏡包括多個基于PMOS的電壓限制裝置并且下推電流反射鏡包括多個基于NMOS的電壓限制裝置，至少一個電壓限制裝置與上拉晶體管或下推晶體管和下推或上拉晶體管之間的其主觸頭串聯連接。優選作為級聯晶體管(cascoding transistor)提供該電壓限制裝置。提供這樣的電壓限制裝置或級聯晶體管允許限制直接連接到功率半導體裝置的晶體管兩端的電壓并且使用低壓CMOS技術用于相對高的操作電壓。另外由包括如上所述的控制觸頭驅動系統和多個功率半導體裝置的功率半導體模塊來達成本專利技術的目標，其中相應功率半導體裝置的控制觸頭連接到相應上拉晶體管的第二主觸頭和相應下推晶體管的第二主觸頭。在另一實施例中，功率半導體裝置以組來安排以使相應組的功率半導體裝置的第一主觸頭全部并聯連接并且以使相應組的功率半導體裝置的第二主觸頭全部并聯連接。在另外的實施例中，至少第一組的第二主觸頭連接到第二組的第一主觸頭。安排這樣的組中的功率半導體裝置允許開關更高的電壓和/或電流。根據另一實施例，多個功率半導體裝置和電流分配器單元接合到層壓襯底，其中電流分配器單元優選以CMOS或雙極技術實現并安裝在IGBT模塊襯底上。在另外特別優選的實施例中，作本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于多個功率半導體裝置的控制觸頭驅動系統，包括適應于提供參考電流用于上拉和/或下推所述多個功率半導體裝置的控制觸頭的電流驅動器單元（1）以及適應于放大和/或分配所述參考電流到所述功率半導體裝置的所述控制觸頭的電流分配器單元（3），其中所述電流分配器單元（3）包含有包括多個基于PMOS的晶體管的上拉電流反射鏡（2）以及包括多個基于NMOS的晶體管的下推電流反射鏡（2），所有上拉晶體管的第一主觸頭并聯連接到第一電壓源并且所有下推晶體管的第一主觸頭并聯連接到具有比所述第一電壓源更低的電壓的第二電壓源，相應上拉晶體管的第二主觸頭和相應下推晶體管的第二主觸頭連接在一起并且適應于提供電流到功率半導體裝置的相應控制觸頭，以及所述上拉晶體管的所述控制觸頭全部并聯連接到所述電流驅動器單元用于接收上拉電流并且所述下推晶體管的所述控制觸頭全部并聯連接到所述電流驅動器單元用于接收下推電流。

【技術特征摘要】
2011.10.26 EP 11186714.91.一種用于多個功率半導體裝置的控制觸頭驅動系統，包括適應于提供參考電流用于上拉和/或下推所述多個功率半導體裝置的控制觸頭的電流驅動器單元(I)以及適應于放大和/或分配所述參考電流到所述功率半導體裝置的所述控制觸頭的電流分配器單元(3)，其中 所述電流分配器單元(3)包含有包括多個基于PMOS的晶體管的上拉電流反射鏡(2)以及包括多個基于NMOS的晶體管的下推電流反射鏡(2)， 所有上拉晶體管的第一主觸頭并聯連接到第一電壓源并且所有下推晶體管的第一主觸頭并聯連接到具有比所述第一電壓源更低的電壓的第二電壓源， 相應上拉晶體管的第二主觸頭和相應下推晶體管的第二主觸頭連接在一起并且適應于提供電流到功率半導體裝置的相應控制觸頭，以及 所述上拉晶體管的所述控制觸頭全部并聯連接到所述電流驅動器單元用于接收上拉電流并且所述下推晶體管的所述控制觸頭全部并聯連接到所述電流驅動器單元用于接收下推電流。2.根據以前的權利要求所述的控制觸頭驅動系統，其中所述上拉電流反射鏡(2)包括基于PMOS的上拉參考晶體管并且所述下推電流反射鏡(2)包括基于NMOS的下推參考晶體管， 所述上拉參考晶體管的所述第一主觸頭連接到所有所述上拉晶體管的第一主觸頭并且所述下推參考晶體管的所述第一主觸頭連接到所有所述下推晶體管的第一主觸頭， 所述上拉參考晶體管的所述控制觸頭連接到所述上拉晶體管的所述控制觸頭并且所述下推參考晶體管的所述控制觸頭連接到所述下推晶體管的所述控制觸頭，以及 所述上拉參考晶體管的所述第二主觸頭連接到所述電流驅動器單元用于接收所述上拉電流，并且所述下 推參考晶體管的所述第二主觸頭連接到所述電流驅動器單元用于接收所述下推電流。3.根據前述權利要求中的任一項所述的控制觸頭驅動系統，包括電流傳感器(6)，用于檢測功率半導體裝置的控制觸頭的故障，其中所述電流傳感器(6)連接到所述上拉晶體管的所述第一主觸頭和/或所述下推晶體管的所述第一主觸頭。4.根據前述權利要求中的任一項所述的控制觸頭驅動系統，其中所述上拉電流反射鏡(2)包括多個基于PMOS的電壓限制裝置并且所述下推電流反射鏡(2)包括多個基于NMOS的電壓限制裝置，至少一個電壓限制裝置與所述上拉晶體管或所述下推晶體管以及所述下推晶體管或所述上拉晶體管之間的其主觸頭串聯連接。5.一種功率半導體模塊(4)，包括根據前述權利要求中的任一項所述的控制觸頭驅動系統和多個功率半導體裝置，其中相應功率半導體裝置的所述控制觸頭連接到相應上拉晶體管的所述第二主觸頭和相應下推晶體管的所述第二主觸頭。6.根據以前的權利要求所述的功率半導體模塊(4)，其中所述功率半導體裝置以組來安排，以使相應組的所述功率半導體裝置的所述第一主觸頭全部并聯連接并且以使所述相應組的所述功率半導體裝置的所述第二主觸頭全部并聯連接。7.根據前述權利要求中的任一項所述的功率半導體模塊(4)，其中至少第一...

【專利技術屬性】
技術研發人員：N斯拉沃夫，R施內爾，
申請(專利權)人：ABB技術有限公司，
類型：發明
國別省市：