用于功率半導體開關的布置和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及對功率半導體開關的控制，特別是涉及監(jiān)視功率半導體開關的開關事 件。
【背景技術】
[0002] 控制功率半導體開關--例如IGBT和MOSFET--的柵極是逆變器或變頻器的重 要環(huán)節(jié)。逆變器或變頻器中的功率半導體開關通常被配置成被控制處于下述兩個操作狀態(tài) 中的一個操作狀態(tài)：導通狀態(tài)（即接通狀態(tài)），或者非導通狀態(tài)（即，關斷狀態(tài)）。
[0003] 在控制功率半導體開關的操作狀態(tài)的驅動電路的設計中可能需要考慮許多方面。 功率半導體開關的操作電壓電勢在操作期間可能在根本上改變，并且功率半導體可以以與 控制整個系統(tǒng)的控制器的電壓電勢不同的電壓電勢進行操作。因此，控制功率半導體開關 的驅動單元可以與控制器進行電隔離。
[0004] 例如，控制器和驅動單元例如可以通過光隔離器彼此隔離。隔離電源可以用于生 成正電壓或者正電壓和負電壓，以便能夠將半導體開關驅動至期望的操作狀態(tài)。
[0005] 例如，可以通過向半導體開關的控制端子如柵極端子提供正控制電壓來將半導體 開關驅動至導通狀態(tài)。負電壓可以用于在關斷事件期間產生足夠高的柵極電流，并且用于 確保即使在柵極電壓中出現(xiàn)電壓尖峰，半導體開關也保持在關斷狀態(tài)。在IGBT中，所提供 的一個電壓/多個電壓通常與IGBT的發(fā)射極或輔助發(fā)射極的電壓電勢相連。
[0006] 為了實現(xiàn)較高的額定功率，可以在逆變器和變頻器中使用并聯(lián)連接的功率半導體 開關。然而，由于并聯(lián)連接的開關之間的物理差異和/或實現(xiàn)控制開關的驅動電路的部件 之間的物理差異，所以所述開關可能不會同時導通（或關斷）。這些非并發(fā)開關事件可能會 導致額外的損失。
[0007] 因此，可以期望的是，調節(jié)各個開關的導通和關斷開關事件的時刻以實現(xiàn)并發(fā)開 關事件?？梢允褂酶鞣N類型的反饋實現(xiàn)來確定實際開關事件的時刻。例如，如果功率半導 體開關如IGBT設置有主發(fā)射極端子和輔助發(fā)射極端子，則可以使用在這些端子之間的接 合線上的電壓來估計發(fā)射極電流的變化率。然后，可以使用該變化率來檢測導通或關斷事 件。
[0008] 然而，由于要檢測的變化率可能非?？欤杂糜跈z測變化率的測量電路可能必 須根據(jù)非常高的速度分量來構建。此外，為了以測量結果精確可比的方式從不同的開關獲 得測量結果，檢測電路的傳播延遲偏差可以還必須非常低，處于納秒的量級。能夠滿足這些 要求的實現(xiàn)可能需要昂貴的部件和/或制造過程，這可能會降低實現(xiàn)的成本效益。
[0009] 此外，用于控制和/或反饋信號的隔離信道的數(shù)目也可能會對成本效益產生顯著 影響，特別是在使用現(xiàn)代高溫額定的CMOS數(shù)字隔離器的情況下?？赡苓€必須考慮部件的可 用性。
[0010] 具有DC中間電路的三相變頻器通常需要至少六個功率半導體以用于輸出。因此， 驅動單元的成本效益的任何增加或減小可能會對變頻器產生六倍的影響。

【發(fā)明內容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提供一種用以減輕上述缺點的方法和一種用于實現(xiàn)該方法的 裝置。本發(fā)明的目的通過由獨立權利要求中陳述的內容表征的方法和布置來實現(xiàn)。本發(fā)明 的優(yōu)選實施方式在從屬權利要求中公開。
[0012] 可以通過監(jiān)視與功率半導體開關串聯(lián)的電感上的電壓來監(jiān)視功率半導體開關的 電流一一例如發(fā)射極電流一一的變化率。電感兩端之間的電壓差表示通過電感一一并且因 此也通過功率半導體開關一一的電流的變化率?；谠撾妷翰?，可以檢測該變化率超過用 于該變化率的設定閾值水平的時刻。
[0013] 在根據(jù)本公開內容的布置和方法中，可以測量電感兩端的電壓。用于測量電壓差 的測量電路可以被配置成使得：當通過電感的電流不改變（變化率為零）時，電感兩端處的 電壓的測量仍顯示它們之間的電壓差。該差可以被認為表示用于變化率的閾值。
[0014] 當變化率開始增加時，該差減小，并且最終該測量值彼此交叉。因此，為了檢測變 化率超過閾值水平，可以將電感兩端處的電壓的測量彼此進行比較。當變化率超過設定閾 值時，兩個測量值彼此交叉，比較器改變其狀態(tài)，并且可以指示超過閾值。
[0015] 然而，在開關的導通和關斷事件時，變化率具有不同的極性。為了監(jiān)視在導通事件 和關斷事件二者期間的變化率，測量電路可以耦接至驅動功率半導體開關的控制端子的驅 動單元。測量電路可以耦接至該驅動單元，使得控制電壓的水平的改變改變了電感器的電 壓電勢。電感器端的電壓的測量的增益和偏置可以被配置成使得控制電壓的新水平在測量 之間引起具有相反符號的新電壓差。新電壓差使比較器改變其狀態(tài)。
[0016] 新電壓差表示負變化率的閾值。當負變化率開始增加時，該差減小，并且最終該測 量值彼此交叉。同樣，比較器改變其狀態(tài)。因此，可以通過使用一個比較器來監(jiān)視導通事件 和關斷事件期間的變化率。由于僅需要一個比較器，所以可以使用僅一根信號線來實現(xiàn)對 導通和關斷事件期間的變化率的監(jiān)視。
[0017] 此外，由于比較器還在控制信號的水平改變時改變其狀態(tài)以例如使開關導通或關 斷，所以所述一根信號線還可以用于指示控制端子如柵極何時接收到導通或關斷信號。因 此，對于該信號線可以僅需要一個隔離部件。
[0018] 根據(jù)本公開內容的實施方式可以例如與并聯(lián)連接或串聯(lián)連接的功率半導體開關 一起使用。利用根據(jù)公開內容的實施方式，可以以關于柵極控制電路的最小額外成本來檢 測和調節(jié)功率半導體開關的開關事件的時刻。
[0019] 根據(jù)本公開內容的實施方式可以引起部件數(shù)目、電路板的面積以及成本的顯著降 低。
[0020] 此外，由于可以檢測控制電壓的水平的改變（例如，以使開關導通和關斷），所以 還可以測量驅動單元控制鏈的環(huán)回時延，并且可以使隔離部件的延遲變化達到最小。
[0021] 此外，當導通事件和變化率的指示使用相同的比較器和反饋隔離信道，它們被延 遲相同的時間量?？梢怨烙嫋艠O轉向（gate turn)與變化率脈沖的時間差，并且可以使比 較器和隔離部件的延遲偏差的影響達到最小。
【附圖說明】
[0022] 在下文中將參照附圖通過優(yōu)選實施方式來更加詳細地描述本發(fā)明，其中：
[0023] 圖1示出了根據(jù)本公開內容的布置的示例性簡化框圖；
[0024] 圖2a和圖2b示出了根據(jù)本公開內容的布置的示例性實施方式的示例性波形；
[0025] 圖3示出了根據(jù)本公開內容的示例性簡化實現(xiàn)；以及
[0026] 圖4示出了可以與驅動功率半導體開關的控制電壓的H橋一起使用的軟關斷電 路。
【具體實施方式】
[0027] 本公開內容描述了一種用于監(jiān)視功率半導體開關的開關事件的布置（和方法）。 在功率半導體開關中，第一電極與第二電極之間的第一電流可以被配置成基于第三電極與 第一電極之間的控制電壓而被控制。例如，在IGBT作為功率半導體開關的情況下，第一電 極可以是發(fā)射極，第二電極可以是集電極，第三電極可以是柵極，并且第一電流可以例如是 發(fā)射極電流?？刂齐妷嚎梢允菛艠O-發(fā)射極電壓。
[0028] 根據(jù)本公開內容的布置和方法的實施方式不限于利用IGBT的應用。它們還適用 于其他類型的電壓控制半導體開關，例如功率M0SFET。此外，除了檢測單個功率半導體開關 的開關事件，根據(jù)本公開內容的布置和方法還可以與并聯(lián)連接或串聯(lián)連接的功率半導體開 關一起使用。
[0029] 可以通過監(jiān)視在與功率半導體開關串聯(lián)的電感上的電壓來監(jiān)視功率半導體開關 的電流--例如發(fā)射極電流--的變化率。電感的兩端之間的電壓差表示通過電感和功率 半導體開關的電流的變化率。因此，根據(jù)本公開內容的布置可以包括與功率半導體開關串 聯(lián)連接的電感，其中電感的第一端連接至第一電極。圖1示出了根據(jù)本公開內容的布置的 示例性簡化框圖。
[0030] 在圖1中，在IGBT模塊10內，功率半導體開關具有IGBT Q1的形式。用作第一電 極的發(fā)射極e和用作第二電極的集電極c之間的電流基于用作第三電極的柵極g與所述發(fā) 射極e之間的控制電壓V而被控制。例如，如圖1所示的，發(fā)射極e可以包括主端子e _η 和輔助端子eaux。控制電壓可以被提供在第三電極g與第一電極e的輔助端子之間。
[0031] 在模塊10中，電感L1可以與IGBT 聯(lián)連接。例如，電感可以由模塊10中的接 合線來形成。電感上的電壓可以在模塊10的輔助發(fā)射極端子eaux與主發(fā)射極端子e min之 間進行測量。
[0032] 在根據(jù)本公開內容的布置或方法中，可以通過生成控制電壓的第一控制電壓水平 和第二控制電壓水平來控制功率半導體開關。控制電壓的水平可以使得第一控制電壓水平 將功率半導體開關設置成非導通狀態(tài)，而第二控制電壓水平可以將功率半導體開關設置成 導通狀態(tài)。第一電壓水平和第二電