用于監(jiān)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的裝置和方法，從而確保相應(yīng)的功率半導(dǎo)體的功能安全性。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明源于如下問題，即在具有開關(guān)元件的設(shè)備中必須存在的可行性是:當(dāng)該設(shè)備應(yīng)該滿足提高的安全水平時，能利用該可行性來驗證該開關(guān)元件是否可用。當(dāng)功率半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)該作為開關(guān)元件應(yīng)用時，該問題同樣存在。相應(yīng)地在具有作為開關(guān)元件的功率半導(dǎo)體開關(guān)的設(shè)備、例如整流器中，為了確保功率半導(dǎo)體開關(guān)可用，存在有規(guī)律地檢驗功率半導(dǎo)體開關(guān)的功能的必要性。
[0003]用于對功率半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行這種監(jiān)控的裝置和方法迄今為止不是已知的。迄今為止，為了安全相關(guān)的目的大多應(yīng)用機械的繼電器。在此，在這樣的繼電器中附加的機械的接觸單元能實現(xiàn)對繼電器在對正確功能方面的監(jiān)控。當(dāng)為了安全功能應(yīng)用功率半導(dǎo)體開關(guān)時，迄今為止僅能夠通過“試運行”(Probeschalten)實現(xiàn)功率半導(dǎo)體開關(guān)在對功能性方面的監(jiān)控。但是該開關(guān)操作影響功率半導(dǎo)體開關(guān)所在的功率回路，并且因此更確切地說是不期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此本發(fā)明的目的在于，提出一種用于監(jiān)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的裝置和方法，該裝置或方法要求對功能半導(dǎo)體開關(guān)的功率回路沒有影響。
[0005]根據(jù)本發(fā)明，該目的利用獨立權(quán)利要求的特征來實現(xiàn)。在此，在用于監(jiān)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的裝置方面提出，該裝置包括以下功能單元:首先是，除了借助外部的驅(qū)控信號驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)外，用于對功率半導(dǎo)體開關(guān)加載具有在功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)閾值之上的頻率的高頻電壓(HF電壓；UHF)的部件，其中該外部的驅(qū)控信號導(dǎo)致功率半導(dǎo)體開關(guān)的相應(yīng)于驅(qū)控信號的開關(guān)狀態(tài)。然后是用于檢測基于對功率半導(dǎo)體開關(guān)加載高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,Ist)的部件。此外是用于將得出的高頻電流(IHF,Ist)與根據(jù)功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)基于對功率半導(dǎo)體開關(guān)加載尚頻電壓(UHF)而期望的尚頻電流(Ihp.&jII)進(jìn)行比較的部件。最后是用于取決于比較的結(jié)果產(chǎn)生功率半導(dǎo)體狀態(tài)信號的部件。
[0006]在用于監(jiān)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的方法方面相應(yīng)地提出，該方法至少包括以下的方法步驟:除了借助外部的驅(qū)控信號之外，利用具有在功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)閾值之上的頻率的高頻電壓(HF電壓；UHF)驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)。外部的驅(qū)控信號導(dǎo)致功率半導(dǎo)體開關(guān)的相應(yīng)于驅(qū)控信號的開關(guān)狀態(tài)。檢測基于對功率半導(dǎo)體開關(guān)加載高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,Ist)。將得出的高頻電流(IHF,Ist)與根據(jù)功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)基于對功率半導(dǎo)體開關(guān)加載高頻電壓(UHF)而期望的高頻電流(IHF,Scill)進(jìn)行比較。根據(jù)該比較的結(jié)果產(chǎn)生功率半導(dǎo)體狀態(tài)信號。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點在于，利用在此介紹的方案提出一種裝置和方法，該裝置或該方法借助驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)來測試功率半導(dǎo)體開關(guān)的功能性，在此并不影響在原本的功率回路。
[0008]本發(fā)明的有利的設(shè)計方案是從屬權(quán)利要求的主題。通過相應(yīng)的從屬權(quán)利要求的特征，在此應(yīng)用的對前面的權(quán)利要求的引用指出獨立權(quán)利要求的主題的其他的設(shè)計方案。其并不理解為放棄獲取獨立的、具體的、用于對前面的引用的從屬權(quán)利要求的特征組合的保護(hù)。此外鑒于對權(quán)利要求的闡釋在將后續(xù)權(quán)利要求中的特征進(jìn)行更為詳細(xì)的具體化時由此出發(fā)，即在分別前述的權(quán)利要求中并不存在這種限制。
【附圖說明】
[0009]以下根據(jù)附圖詳盡地闡述本發(fā)明的實施例。彼此相應(yīng)的主題或元件在全部附圖中設(shè)有相同的參考標(biāo)號。
[0010]附圖示出:
[0011]圖1是以M0SFET形式的功率半導(dǎo)體開關(guān)的等效電路圖，
[0012]圖2是以IGBT形式的功率半導(dǎo)體開關(guān)的等效電路圖，
[0013]圖3是用于驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)控電路，
[0014]圖4是根據(jù)圖3的、具有為了測試功率半導(dǎo)體開關(guān)的功能作用而用于驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的電路部分的驅(qū)控電路，
[0015]圖5是用于評估借助于圖4中的電路部分實現(xiàn)的對功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)控的監(jiān)控電路，
[0016]圖6是具有功率半導(dǎo)體開關(guān)、根據(jù)圖4的電路部分和根據(jù)圖5的監(jiān)控電路的半導(dǎo)體模塊，以及
[0017]圖7是考慮對為了測試功率半導(dǎo)體開關(guān)的功能作用而用于驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)的圖6中的電路部分進(jìn)行附加或替代的電路部分。
【具體實施方式】
[0018]在圖1和圖2中的不意圖不出了功率半導(dǎo)體開關(guān)(功率半導(dǎo)體)的等效電路圖，今天為了安全功能可以考慮該功率半導(dǎo)體開關(guān)。圖1中的示意圖示出了 M0SFET 12的等效電路圖，并且圖2中的示意圖示出了 IGBT 14的等效電路圖。
[0019]對于這兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)10，分別示出了通常的接口并且以通常的專業(yè)術(shù)語標(biāo)注。相應(yīng)地，以M0SFET 12形式的功率半導(dǎo)體開關(guān)10具有柵極接口(G)、源極接口(S)和漏極接口(D)。對應(yīng)地，以IGBT 14形式的功率半導(dǎo)體開關(guān)10具有柵極接口(G)、集電極接口(C)和發(fā)射極接口(E)。
[0020]在功率半導(dǎo)體開關(guān)10的這些接口中的每兩個接口之間，畫入在等效電路圖中相應(yīng)于構(gòu)件特性而得出的電容，更確切地說，對于M0SFET 12而言形式為具有在柵極接口(G)和源極接口(S)之間的電容(^的電容器、具有在柵極接口(G)和漏極接口(D)之間的電容(^的電容器以及具有在漏極接口(D)和源極接口(S)之間的電容CDS的電容器。相應(yīng)地，這適用于對IGBT 14的等效電路。因此，該處示出具有在柵極接口(G)和發(fā)射極接口(E)之間的電容0^的電容器、具有在柵極接口(G)和集電極接口(C)之間電容的電容器以及具有在集電極接口(C)和發(fā)射極接口(E)之間電容CCE的電容器。
[0021]在圖1中，對于以M0SFET形式的功率半導(dǎo)體開關(guān)10的在該處示出的等效電路圖的示意圖而言，也示出了由這樣的功率半導(dǎo)體開關(guān)10包括的反向二極管16的等效電路圖。
[0022]對于功率半導(dǎo)體開關(guān)10、特別是以M0SFET 12形式的或者以IGBT 14形式的功率半導(dǎo)體開關(guān)10被干擾的情況，這表現(xiàn)在變化的電容的特性中。在此，將相應(yīng)的元件的部分損壞以及至少一次接觸的損耗理解為對功率半導(dǎo)體開關(guān)10的干擾。功率半導(dǎo)體開關(guān)10的單元區(qū)域的損壞導(dǎo)致了例如輸入電容、即在M0SFET 12中的柵極電容Css或在IGBT 14中的柵極電容0；Ε的減少。這樣也能識別更小的干擾。
[0023]在圖3和圖4中的示意圖示出了用于驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)10的驅(qū)控電路20。功率半導(dǎo)體開關(guān)10與并聯(lián)的反向二極管16 —起示出，這就像例如在AC/AC轉(zhuǎn)換器的輸入端整流器或輸出端整流器中的情況那樣。
[0024]根據(jù)由驅(qū)控電路20包括的、具有正的或負(fù)的驅(qū)控電位的開關(guān)22的開關(guān)位置加載/驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)10，該驅(qū)控電位在此以例如提供+15V的電壓源24的第一種形式和以例如提供-15V的電壓源26的第二種形式示出。
[0025]在圖3中示出的驅(qū)控電路20對應(yīng)于如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的驅(qū)控電路20。與圖3中的驅(qū)控電路20相比，在圖4中示出的驅(qū)控電路20包括附加的電路部分30，該電路部分在相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)10的門電路中加入高頻電壓(HF電壓；UHF)。電路部分30相應(yīng)地是用于部件30的實例，該部件用于對功率半導(dǎo)體開關(guān)10加載具有在功率半導(dǎo)體開關(guān)10的開關(guān)閾值之上的頻率的高頻電壓(UHF)。在此，與開關(guān)22的相應(yīng)的開關(guān)位置或?qū)?yīng)的信號源驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)10同時地實現(xiàn)高頻電壓(UHF)的加載。
[0026]作為用于高頻電壓(UHF)的基礎(chǔ)，在此示出高頻電壓源32。高頻電壓源借助于由電路部分30所包括的與高頻電壓源32串聯(lián)的、具有電容CHF的去耦合電容器34來高頻地與相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)10的柵極接口去耦合。借助于分流電阻(RHF) 36檢測基于高頻電壓(UHF)而得出的、以下稱為高頻電流的電流(IHF)。替代分流電阻36，當(dāng)然同樣也能夠例如電感式地實現(xiàn)高頻電流(IHF)的檢測。相應(yīng)地，分流電阻(RHF) 36或者電感式地檢測高頻電流(IHF)是用于檢測基于對功率半導(dǎo)體開關(guān)(10)加載高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,ist)的部件的實例。
[0027]這樣地選擇高頻電壓(UHF)的頻率和振幅，即該頻率遠(yuǎn)高于功率半導(dǎo)體開關(guān)10的開關(guān)頻率。因此，例如可以考慮大于10MHz的頻率作為頻率。對于高頻電壓(UHF)的振幅提出，該振幅遠(yuǎn)在像用于驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)10的正常電壓值之下。因此，例如可以考慮大約IV的振幅作為振幅。
[0028]為了監(jiān)控相應(yīng)的功率半導(dǎo)體開關(guān)10，給驅(qū)控電路20分配監(jiān)控電路40。監(jiān)控電路示意性簡化地在圖5中示出。在第一輸入端42處將驅(qū)控電路20的開關(guān)22的開關(guān)狀態(tài)輸送給監(jiān)控電路部分40。在第二輸入端44處直接或間接地將基于高頻電壓(UHF)而得出的電流(IHF)輸送給監(jiān)控電路40，例如以經(jīng)由分流電阻36量取的電壓的大小的形式。
[0029]當(dāng)將用于能夠經(jīng)由分流電阻36量取的電壓的大小輸送給監(jiān)控電路40時，借助于該電壓和分流電阻36的已知的電阻值來測定實際上基于高頻電壓(UHF)得出的電流(IHF,Ist)o為此，監(jiān)控電路40包括高頻電流實際值測定裝置46。高頻電流實際值測定裝置46的功能例如在于，由在第二輸入端44處輸送的、用于經(jīng)由分流電阻36量取的電壓的大小和分流電阻36的電阻的已知值形成商。在高頻電流實際值測定裝置46的輸出端處同樣存在基于高頻電壓(UHF)而得出的當(dāng)前的高頻電流(IHF,Ist)或用于所得出的當(dāng)前的高頻電流(IHF,1st)的大小。
[0030]將當(dāng)前的高頻電流(IHF,Ist)借助于比較器48與基于高頻電壓(UHF)所期望的高頻電流(IHF,Scill)進(jìn)行比較。借助于高頻電流額定值測定裝置50來提供期望的高頻電流(IHF,son)或用于期望的高頻電流(IHF,Scill)的大小。高頻電流額定值測定裝置將在第一輸入端42處輸送給監(jiān)控電路40的、驅(qū)控電路20的開關(guān)22的開關(guān)狀態(tài)處理為輸入信號。高頻電流額定值測定裝置50的功能性能夠例如以表的形式實現(xiàn)，該表包括在第一表元素中的、用于對開關(guān)22的第一開關(guān)位置所期望的高頻電流(IHF,Scilll)的大小和在第二表元素中的、用于對開關(guān)22的第二開關(guān)位置所期望的高頻電流(IHF,Scill2)的大小。根據(jù)在第一輸入端42處輸送的開關(guān)22的開關(guān)位置，高頻電流額定值測定裝置50因此發(fā)送在相應(yīng)的開關(guān)時所期望的高頻電流(I HF, Soil — [I HF’Solll，IhF，So112 ])或用于期望的高頻電流(I HF, Soil — [I HF, Solll，If)F, Soll2])
的大小，并繼續(xù)傳輸該電流或該大小到比較器48。比較器48執(zhí)行在相應(yīng)期望的高頻電流(IHF,soii)與相應(yīng)實際的基于高頻電壓(UHF)而得出的高頻電流(IHF,Ist)的真實的比較。
[0031]監(jiān)控電路40和由監(jiān)控電路包括的