檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)中的短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓降的變化過程的設(shè)備。這類設(shè)備例如用于檢測IGBT( “Insulated Gate Bipolar Transistor (絕緣柵雙極型晶體管)”)中的短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)。
【背景技術(shù)】
[0002]在一些功率半導(dǎo)體開關(guān)中可施加高電壓和輸送高電流。因此，短路或過高電流可快速導(dǎo)致該功率半導(dǎo)體開關(guān)的熱損壞。功率半導(dǎo)體開關(guān)可具有用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的保護電路。檢測這種狀態(tài)的一種可能性是借助該功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓降以間接監(jiān)測通過該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電流。該功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓應(yīng)在該功率半導(dǎo)體開關(guān)接通后快速地從斷路狀態(tài)(該“斷路狀態(tài)”或“AUS狀態(tài)”是該功率半導(dǎo)體開關(guān)呈“斷開”和無電流流過的狀態(tài))的較高水平下降到通路狀態(tài)(該“通路狀態(tài)”或“AN狀態(tài)”是該功率半導(dǎo)體開關(guān)呈“閉合”和可傳導(dǎo)電流的狀態(tài))的較低水平。相應(yīng)地，功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制信號(如柵極驅(qū)動信號)具有該功率半導(dǎo)體開關(guān)保持閉合的AN狀態(tài)和該功率半導(dǎo)體開關(guān)保持?jǐn)嚅_的AUS狀態(tài)。
[0003]圖1B中左下方的曲線示出在正常運行中從斷路狀態(tài)轉(zhuǎn)換成通路狀態(tài)后，IGBT(IGBT是一個示例性的功率半導(dǎo)體開關(guān))的集電極-發(fā)射極電壓的示例性變化過程(所相關(guān)的示例性控制信號的變化過程示于左上方)。如所顯示的，該集電極-發(fā)射極電壓劇烈降低到非常低的值(例如0-10V)。IGBT的示例性的短路特性示于圖1B的右下方。與正常運行相反，該集電極-發(fā)射極電壓未降低到非常低的值，但同時在該IGBT中還可以流過高的電流(例如該IGBT的額定電流的3-10倍)。在另一些短路情況下，該集電極-發(fā)射極電壓雖首先降低到正常運行的值，但然后再升高。由此可造成該功率半導(dǎo)體開關(guān)的高的熱負(fù)荷，并在較短時間后可受損。因此例如一些IGBT在通路狀態(tài)下僅能耐受短時間(例如約1ys)的短路而不受損。用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的保護電路可在此時間到期前負(fù)責(zé)斷開該功率半導(dǎo)體開關(guān)。在除IGBT外的其它功率半導(dǎo)體開關(guān)中也發(fā)現(xiàn)類似的特性。過電流狀態(tài)如短路狀態(tài)一樣可通過提高的集電極-發(fā)射極電壓表明。但在過電流情況下，該集電極-發(fā)射極電壓比在短路情況下更接近于正常情況下的集電極-發(fā)射極電壓。
[0004]在接通該功率半導(dǎo)體開關(guān)后一些時間，所發(fā)生的短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)也可導(dǎo)致這種情況(在圖1B中未示出)。在該出錯情況下，該集電極-發(fā)射極電壓首先降低到正常運行的低值，然后才出現(xiàn)例如導(dǎo)致短路的出錯。這時該集電極-發(fā)射極電壓再劇烈升高。這對該功率半導(dǎo)體開關(guān)同樣會有上述的負(fù)作用。
[0005]在正常運行和短路狀態(tài)和/或過電流狀態(tài)之間該集電極-發(fā)射極電壓的變化過程的所述差別可在保護電路中用來檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)，以達(dá)檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的第一種設(shè)備包括具有第一、第二、第三和第四節(jié)點的電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)，其中該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成在第一節(jié)點上與功率半導(dǎo)體開關(guān)的第一連接端相連，并在第二節(jié)點上提供代表該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓的信號，其中該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)包括至少一個耦合在第一和第二節(jié)點之間的阻抗、耦合在第二節(jié)點和第三節(jié)點之間的第一電阻性元件和耦合在第二節(jié)點和第四節(jié)點之間的第一電容性元件，其中該用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的設(shè)備還包括計時器電路，該計時器電路與該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的第三節(jié)點相連，并設(shè)計成產(chǎn)生代表在該功率半導(dǎo)體開關(guān)接通后該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的檢測信號，其中該計時器電路設(shè)計成，如果在該功率半導(dǎo)體開關(guān)接通后該功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓未降到預(yù)定值以下，則將該檢測信號的水平升高到高于預(yù)定的閾電壓，其中該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計成對該用于檢測該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的設(shè)備的寄生電容進(jìn)行補償或過補償，以防止該計時器電路將檢測信號的水平升高到高于預(yù)定的閾電壓，即使在該功率半導(dǎo)體開關(guān)接通后該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓降到低于預(yù)定值。
[0007]該“功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓”意指該功率半導(dǎo)體開關(guān)的連接端之間的電壓，正常運行時在這些連接端之間傳送在功率半導(dǎo)體開關(guān)上流過的大部分電能。這些相應(yīng)的連接端對于不同的功率半導(dǎo)體開關(guān)有不同的名稱(如集電極和發(fā)射極、漏極和源極或陰極和陽極)。
[0008]如果在接通該功率半導(dǎo)體開關(guān)后，該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓(例如集電極-發(fā)射極電壓或漏極-源極電壓)劇烈降低到非常低的值(近O伏，例如0-10V)，則“代表該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓的信號”具有第一種特性變化過程，如果在接通該功率半導(dǎo)體開關(guān)后，該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓未降低到非常低的值(近O伏)，“代表該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓的信號”具有不同的第二種特性變化過程。此外，如果在接通狀態(tài)下，該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓在接通該功率半導(dǎo)體開關(guān)后一些時間從非常低的值(近O伏)強烈上升，則“代表該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓的信號”具有另一種不同的特性變化過程。
[0009]“電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)”包括一些元件，這些元件至少在該用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的設(shè)備所設(shè)計的運行區(qū)域中呈電阻性(元件上的電壓和電流呈同相)或電容性(電流超前于電壓)。因此，該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的這些元件在另一些運行區(qū)域或電路中可具有另外的特性?！半娮栊栽笨梢允菤W姆元件，也可以是具有非線性電流-電壓曲線的元件。
[0010]使用用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓變化過程的設(shè)備有利于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)中的短路狀態(tài)和/或過電流狀態(tài)。特別可降低短路狀態(tài)和/或過電流狀態(tài)的誤檢測幾率。這尤其可通過該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)補償或過補償該設(shè)備的寄生電容而實現(xiàn)。因此可防止在功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓已降低到非常低的水平后(即在正常情況下，見圖1B左方)其影響計時器電路(例如提供檢測信號的計時器電路的電容)，并因此發(fā)生短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的誤檢測。
[0011]根據(jù)第一種設(shè)備的第二種設(shè)備還包括第一箝位電路，其設(shè)計成將該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的第三節(jié)點上的電壓限制在預(yù)定的最大電壓。
[0012]在根據(jù)第二種設(shè)備的第三種設(shè)備中，該預(yù)定的最大電壓相應(yīng)于該功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極驅(qū)動信號的AN水平。
[0013]在根據(jù)第一種至第三種設(shè)備之一的第四種設(shè)備中，該第四節(jié)點設(shè)置成第二基準(zhǔn)電位。
[0014]在根據(jù)第一種至第四種設(shè)備之一的第五種設(shè)備中，該用于檢測該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的設(shè)備的寄生電容通過該至少一個阻抗進(jìn)行補償或過補償。
[0015]在根據(jù)第一種至第五種設(shè)備之一的第六種設(shè)備中，該至少一個阻抗包括電容性元件和與其并聯(lián)的電阻性元件。
[0016]在根據(jù)第六種設(shè)備的第七種設(shè)備中，該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)包括一個或多個其它阻抗，這些阻抗與該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的第一節(jié)點和第二節(jié)點之間的所述至少一個阻抗呈串聯(lián)耦合，其中該一個或多個其它阻抗的每個阻抗均包括電容性元件和與其并聯(lián)的電阻性元件。
[0017]在根據(jù)第一種至第七種設(shè)備之一的第八種設(shè)備中，該設(shè)備還包含第二箝位電路，其設(shè)計成將第三節(jié)點限制在預(yù)定的最小電壓。
[0018]在根據(jù)第八種設(shè)備的第九種設(shè)備中，該預(yù)定的最小電壓相應(yīng)于該功率半導(dǎo)體開關(guān)的柵極驅(qū)動信號的AUS水平。
[0019]在根據(jù)第一種至第九種設(shè)備之一的第十種設(shè)備中，該計時器電路包括一個電容，該電容以對該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的第三節(jié)點上的電壓水平的反應(yīng)而經(jīng)充電或放電，其中在該計時器電路的該電容的一端上的電壓水平是檢測信號。
[0020]在根據(jù)第十種設(shè)備的第十一種設(shè)備中，該計時器電路還包括電阻性元件，該電阻性元件耦合在用于輸出檢測信號的輸出端和該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的第三節(jié)點之間。
[0021]在根據(jù)第一種至第九種設(shè)備之一的第十二種設(shè)備中，該計時器電路包括數(shù)字電路，該數(shù)字電路設(shè)計成探測該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的第三節(jié)點上的電壓水平，并產(chǎn)生取決于第三節(jié)點上的電壓水平的檢測信號。
[0022]在根據(jù)第一種至第十一種設(shè)備之一的第十三種設(shè)備中，該計時器電路不包含有源部件。
[0023]在根據(jù)第一種至第十三種設(shè)備之一的第十四種設(shè)備中，該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)包括耦合在第二節(jié)點和該第一電容性元件之間另一電容性元件，其中該至少一個阻抗包括電容性元件和并聯(lián)的電阻性元件，并且其中該電阻性元件耦合在第二節(jié)點上且該至少一個阻抗的電容性元件耦合在該第一電容性元件上。
[0024]在根據(jù)第十四種設(shè)備的第十五種設(shè)備中，該第一電容性元件具有為所述另一電容性元件的至少5倍的值。
[0025]在根據(jù)第二種設(shè)備和第十四種設(shè)備或第十五種設(shè)備的第十六種設(shè)備中，該另一個電容性元件如此配置，如果代表該功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓的信號位于預(yù)定的最大電壓和預(yù)定的閾電壓之間，則其減少該第一電容性元件對第二節(jié)點上的電壓水平的影響。
[0026]在根據(jù)第十四種設(shè)備至第十六種設(shè)備的第十七種設(shè)備中，該另一電容性元件設(shè)計成用以減少在第一電容性元件和第二節(jié)點之間振蕩的電荷的量。
[0027]在根據(jù)第七種設(shè)備或該第七種設(shè)備和前述的設(shè)備之一的第十八種設(shè)備中，該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)包括并聯(lián)于第一電容性元件的另一個第一電阻性元件，以及另一個電阻性元件，該另一個電阻性元件并聯(lián)于該至少一個阻抗的或該電阻性-電容性網(wǎng)絡(luò)的一個或多個其它阻抗的第二電容性元件。
[0028]在根據(jù)第十八種設(shè)備的第十九種設(shè)備中，該另一個第一和第二電阻性元件設(shè)計成用以限制在該第一和第二電容性元件上的靜態(tài)電壓。
[0029]在根據(jù)前述設(shè)備之一的第二十種設(shè)備中，該設(shè)備包括耦合在第三節(jié)點和基準(zhǔn)電位之間的另一個電阻性元件，并且設(shè)計成用以至少部分調(diào)節(jié)該檢測信號的靜態(tài)水平。
[0030]在根據(jù)前述設(shè)備之一的第二十一種設(shè)備中，該計時器電路包括另一個第二電阻性元件、第二電容和二極管，其設(shè)計成用以影響該檢測信號的動態(tài)水平。
[0031]用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)中的短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第一種設(shè)備包括根據(jù)設(shè)備1-21之一的用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓變化過程的設(shè)備和比較器，該比較器接收用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓的設(shè)備的檢測信號和基準(zhǔn)信號，并且發(fā)出誤差信號，該誤差信號表明該檢測信號是否超過該基準(zhǔn)信號。
[0032]在根據(jù)用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第一種設(shè)備的用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第二種設(shè)備中，該基準(zhǔn)信號是靜態(tài)的。
[0033]根據(jù)該用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第一種或第二種設(shè)備以及第十種設(shè)備的用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第三種設(shè)備包括另一開關(guān)，該開關(guān)設(shè)計成當(dāng)該功率半導(dǎo)體開關(guān)斷開時，使該計時器電路的電容的一端處在固定的電位。
[0034]在根據(jù)用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第三種設(shè)備的用于檢測短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的第四種設(shè)備中，如果當(dāng)該功率半導(dǎo)體開關(guān)斷開時該計時器電路的所述電容端處在固定的電位，則該計時器電路的該電容至少部分放電。
[0035]用于功率半導(dǎo)體開關(guān)的第一種控制電路包括根據(jù)第一種至第四種設(shè)備之一的用于檢測功率半導(dǎo)體開關(guān)中的短路狀態(tài)或過電流狀態(tài)的設(shè)備和驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路接收誤差信號，并在檢測信號超過基準(zhǔn)信號的情況下斷開功率半導(dǎo)體開關(guān)或提供用于系統(tǒng)控制的另一誤差信號。
[0036]第二種控制電路設(shè)備包括由該控制電路所控制的功率半導(dǎo)體開關(guān)。
[0037]在根據(jù)前述設(shè)備之一的另一設(shè)備中，功率半導(dǎo)體開關(guān)的電壓相應(yīng)于集電極-發(fā)射極電壓、陽極-陰極電壓或漏極-源極電壓。
[0038]在根據(jù)前述設(shè)備之一的另一設(shè)備中，在斷開狀態(tài)下的功率半導(dǎo)體開關(guān)的額定電壓的最大值大于500V，優(yōu)選大于2kV。
【附圖說明】
[0039]本發(fā)明的非限定性的和非窮舉性的實施例參照下列附圖進(jìn)行描述，其中，只要未另行指出，在不同附圖中相同的標(biāo)號表示相同部件。
[0040]圖1A不出用于提供電能的不例性設(shè)備。
[0041]圖1B示出正常狀態(tài)和示例性的短路狀態(tài)和/或過電流