用于监控功率半导体开关的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于监控功率半导体开关的装置和方法，从而确保相应的功率半导体的功能安全性。
【背景技术】
[0002]本发明源于如下问题，即在具有开关元件的设备中必须存在的可行性是:当该设备应该满足提高的安全水平时，能利用该可行性来验证该开关元件是否可用。当功率半导体开关应该作为开关元件应用时，该问题同样存在。相应地在具有作为开关元件的功率半导体开关的设备、例如整流器中，为了确保功率半导体开关可用，存在有规律地检验功率半导体开关的功能的必要性。
[0003]用于对功率半导体开关进行这种监控的装置和方法迄今为止不是已知的。迄今为止，为了安全相关的目的大多应用机械的继电器。在此，在这样的继电器中附加的机械的接触单元能实现对继电器在对正确功能方面的监控。当为了安全功能应用功率半导体开关时，迄今为止仅能够通过“试运行”(Probeschalten)实现功率半导体开关在对功能性方面的监控。但是该开关操作影响功率半导体开关所在的功率回路，并且因此更确切地说是不期望的。
【发明内容】
[0004]因此本发明的目的在于，提出一种用于监控功率半导体开关的装置和方法，该装置或方法要求对功能半导体开关的功率回路没有影响。
[0005]根据本发明，该目的利用独立权利要求的特征来实现。在此，在用于监控功率半导体开关的装置方面提出，该装置包括以下功能单元:首先是，除了借助外部的驱控信号驱控功率半导体开关外，用于对功率半导体开关加载具有在功率半导体开关的开关阈值之上的频率的高频电压(HF电压；UHF)的部件，其中该外部的驱控信号导致功率半导体开关的相应于驱控信号的开关状态。然后是用于检测基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF,Ist)的部件。此外是用于将得出的高频电流(IHF,Ist)与根据功率半导体开关的开关状态基于对功率半导体开关加载尚频电压(UHF)而期望的尚频电流(Ihp.&jII)进行比较的部件。最后是用于取决于比较的结果产生功率半导体状态信号的部件。
[0006]在用于监控功率半导体开关的方法方面相应地提出，该方法至少包括以下的方法步骤:除了借助外部的驱控信号之外，利用具有在功率半导体开关的开关阈值之上的频率的高频电压(HF电压；UHF)驱控功率半导体开关。外部的驱控信号导致功率半导体开关的相应于驱控信号的开关状态。检测基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF,Ist)。将得出的高频电流(IHF,Ist)与根据功率半导体开关的开关状态基于对功率半导体开关加载高频电压(UHF)而期望的高频电流(IHF,Scill)进行比较。根据该比较的结果产生功率半导体状态信号。
[0007]本发明的优点在于，利用在此介绍的方案提出一种装置和方法，该装置或该方法借助驱控功率半导体开关来测试功率半导体开关的功能性，在此并不影响在原本的功率回路。
[0008]本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。通过相应的从属权利要求的特征，在此应用的对前面的权利要求的引用指出独立权利要求的主题的其他的设计方案。其并不理解为放弃获取独立的、具体的、用于对前面的引用的从属权利要求的特征组合的保护。此外鉴于对权利要求的阐释在将后续权利要求中的特征进行更为详细的具体化时由此出发，即在分别前述的权利要求中并不存在这种限制。
【附图说明】
[0009]以下根据附图详尽地阐述本发明的实施例。彼此相应的主题或元件在全部附图中设有相同的参考标号。
[0010]附图示出:
[0011]图1是以M0SFET形式的功率半导体开关的等效电路图，
[0012]图2是以IGBT形式的功率半导体开关的等效电路图，
[0013]图3是用于驱控功率半导体开关的驱控电路，
[0014]图4是根据图3的、具有为了测试功率半导体开关的功能作用而用于驱控功率半导体开关的电路部分的驱控电路，
[0015]图5是用于评估借助于图4中的电路部分实现的对功率半导体开关的驱控的监控电路，
[0016]图6是具有功率半导体开关、根据图4的电路部分和根据图5的监控电路的半导体模块，以及
[0017]图7是考虑对为了测试功率半导体开关的功能作用而用于驱控功率半导体开关的图6中的电路部分进行附加或替代的电路部分。
【具体实施方式】
[0018]在图1和图2中的不意图不出了功率半导体开关(功率半导体)的等效电路图，今天为了安全功能可以考虑该功率半导体开关。图1中的示意图示出了 M0SFET 12的等效电路图，并且图2中的示意图示出了 IGBT 14的等效电路图。
[0019]对于这两个功率半导体开关10，分别示出了通常的接口并且以通常的专业术语标注。相应地，以M0SFET 12形式的功率半导体开关10具有栅极接口(G)、源极接口(S)和漏极接口(D)。对应地，以IGBT 14形式的功率半导体开关10具有栅极接口(G)、集电极接口(C)和发射极接口(E)。
[0020]在功率半导体开关10的这些接口中的每两个接口之间，画入在等效电路图中相应于构件特性而得出的电容，更确切地说，对于M0SFET 12而言形式为具有在栅极接口(G)和源极接口(S)之间的电容(^的电容器、具有在栅极接口(G)和漏极接口(D)之间的电容(^的电容器以及具有在漏极接口(D)和源极接口(S)之间的电容CDS的电容器。相应地，这适用于对IGBT 14的等效电路。因此，该处示出具有在栅极接口(G)和发射极接口(E)之间的电容0^的电容器、具有在栅极接口(G)和集电极接口(C)之间电容的电容器以及具有在集电极接口(C)和发射极接口(E)之间电容CCE的电容器。
[0021]在图1中，对于以M0SFET形式的功率半导体开关10的在该处示出的等效电路图的示意图而言，也示出了由这样的功率半导体开关10包括的反向二极管16的等效电路图。
[0022]对于功率半导体开关10、特别是以M0SFET 12形式的或者以IGBT 14形式的功率半导体开关10被干扰的情况，这表现在变化的电容的特性中。在此，将相应的元件的部分损坏以及至少一次接触的损耗理解为对功率半导体开关10的干扰。功率半导体开关10的单元区域的损坏导致了例如输入电容、即在M0SFET 12中的栅极电容Css或在IGBT 14中的栅极电容0；Ε的减少。这样也能识别更小的干扰。
[0023]在图3和图4中的示意图示出了用于驱控功率半导体开关10的驱控电路20。功率半导体开关10与并联的反向二极管16 —起示出，这就像例如在AC/AC转换器的输入端整流器或输出端整流器中的情况那样。
[0024]根据由驱控电路20包括的、具有正的或负的驱控电位的开关22的开关位置加载/驱控功率半导体开关10，该驱控电位在此以例如提供+15V的电压源24的第一种形式和以例如提供-15V的电压源26的第二种形式示出。
[0025]在图3中示出的驱控电路20对应于如在现有技术中已知的驱控电路20。与图3中的驱控电路20相比，在图4中示出的驱控电路20包括附加的电路部分30，该电路部分在相应的功率半导体开关10的门电路中加入高频电压(HF电压；UHF)。电路部分30相应地是用于部件30的实例，该部件用于对功率半导体开关10加载具有在功率半导体开关10的开关阈值之上的频率的高频电压(UHF)。在此，与开关22的相应的开关位置或对应的信号源驱控功率半导体开关10同时地实现高频电压(UHF)的加载。
[0026]作为用于高频电压(UHF)的基础，在此示出高频电压源32。高频电压源借助于由电路部分30所包括的与高频电压源32串联的、具有电容CHF的去耦合电容器34来高频地与相应的功率半导体开关10的栅极接口去耦合。借助于分流电阻(RHF) 36检测基于高频电压(UHF)而得出的、以下称为高频电流的电流(IHF)。替代分流电阻36，当然同样也能够例如电感式地实现高频电流(IHF)的检测。相应地，分流电阻(RHF) 36或者电感式地检测高频电流(IHF)是用于检测基于对功率半导体开关(10)加载高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF,ist)的部件的实例。
[0027]这样地选择高频电压(UHF)的频率和振幅，即该频率远高于功率半导体开关10的开关频率。因此，例如可以考虑大于10MHz的频率作为频率。对于高频电压(UHF)的振幅提出，该振幅远在像用于驱控功率半导体开关10的正常电压值之下。因此，例如可以考虑大约IV的振幅作为振幅。
[0028]为了监控相应的功率半导体开关10，给驱控电路20分配监控电路40。监控电路示意性简化地在图5中示出。在第一输入端42处将驱控电路20的开关22的开关状态输送给监控电路部分40。在第二输入端44处直接或间接地将基于高频电压(UHF)而得出的电流(IHF)输送给监控电路40，例如以经由分流电阻36量取的电压的大小的形式。
[0029]当将用于能够经由分流电阻36量取的电压的大小输送给监控电路40时，借助于该电压和分流电阻36的已知的电阻值来测定实际上基于高频电压(UHF)得出的电流(IHF,Ist)o为此，监控电路40包括高频电流实际值测定装置46。高频电流实际值测定装置46的功能例如在于，由在第二输入端44处输送的、用于经由分流电阻36量取的电压的大小和分流电阻36的电阻的已知值形成商。在高频电流实际值测定装置46的输出端处同样存在基于高频电压(UHF)而得出的当前的高频电流(IHF,Ist)或用于所得出的当前的高频电流(IHF,1st)的大小。
[0030]将当前的高频电流(IHF,Ist)借助于比较器48与基于高频电压(UHF)所期望的高频电流(IHF,Scill)进行比较。借助于高频电流额定值测定装置50来提供期望的高频电流(IHF,son)或用于期望的高频电流(IHF,Scill)的大小。高频电流额定值测定装置将在第一输入端42处输送给监控电路40的、驱控电路20的开关22的开关状态处理为输入信号。高频电流额定值测定装置50的功能性能够例如以表的形式实现，该表包括在第一表元素中的、用于对开关22的第一开关位置所期望的高频电流(IHF,Scilll)的大小和在第二表元素中的、用于对开关22的第二开关位置所期望的高频电流(IHF,Scill2)的大小。根据在第一输入端42处输送的开关22的开关位置，高频电流额定值测定装置50因此发送在相应的开关时所期望的高频电流(I HF, Soil — [I HF’Solll，IhF，So112 ])或用于期望的高频电流(I HF, Soil — [I HF, Solll，If)F, Soll2])
的大小，并继续传输该电流或该大小到比较器48。比较器48执行在相应期望的高频电流(IHF,soii)与相应实际的基于高频电压(UHF)而得出的高频电流(IHF,Ist)的真实的比较。
[0031]监控电路40和由监控电路包括的