用于功率半导体开关的控制装置的制作方法

本发明涉及一种用于功率半导体开关的控制装置。

背景技术：

在切断功率半导体开关时，由于与其电连接的导体中的杂散电感，特别是在高负载电流流动通过功率半导体开关的情况下，在功率半导体开关的负载电流端子之间可能发生过电压，其可导致所述功率半导体开关的损坏或破坏。功率半导体开关的切断速度越高或者中断时间越短，则这些过电压将越大，这是由于负载电流的相关变化率的增加导致的。然而，用于切断功率半导体开关的切断速度的降低具有的缺点在于在切断功率半导体开关时，功率半导体开关上的能量损失增加，从而降低了功率半导体开关的电效率。

从de102015120166b3已知一种用于功率半导体开关的控制装置，其监测在功率半导体开关中流动的负载电流。如果功率半导体开关的接通状态中的负载电流(例如在短路的情况下)变得非常高，则在功率半导体开关的第一和第二负载电流端子之间施加的电压显著上升，从而导致控制装置的比较器的第一输入的电压上升。如果比较器的第一输入的电压超过施加到第二输入的参考电压，则比较器产生过电流故障信号，这导致功率半导体开关的持续切断。从而保护功率半导体开关以免过电流在其中流动。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于功率半导体开关的控制装置，该控制装置在功率半导体开关的正常负荷状态下允许功率半导体开关的操作具有高效率，并且在功率半导体开关中流动高电流的情况下，当切断所述功率半导体开关时，减小功率半导体开关的负载电流端子之间的过电压。

该目的通过一种用于功率半导体开关的控制装置来实现，该功率半导体开关具有第一和第二负载电流端子以及控制端子，所述控制装置包括：

-第一电气控制装置端子，其设置成用于与第一负载电流端子电连接；第二电气控制装置端子，其设置成用于与第二负载电流端子电连接；以及第三电气控制装置端子，其设置成用于与控制端子电连接；

-致动装置，其设计成，在第三控制装置端子上，在接收到接通命令时产生用于接通功率半导体开关的致动电压，并且在接收到切断命令时产生用于切断功率半导体开关的致动电压；

-电流检测电路，其设计成如果致动电压采取功率半导体开关接通时的电压值，并且在第一和第二控制装置端子之间施加的功率半导体开关的主电压超过第一功率半导体开关主电压值，则产生第一高电流信号，其中致动装置配置成在接收到切断命令时产生用于切断功率半导体开关的致动电压，使得致动电压减小，使得在接收到切断命令时由致动电压采取的第一致动电压值与达到致动电压的第二致动电压值之间经过的时间间隔在存在第一高电流信号时大于在没有第一高电流信号时，所述致动电压的第二致动电压值等于第一致动电压值的10％。

已经证明有利的是，控制装置配置成用于接收中间电路电压值，并且第一功率半导体开关主电压值取决于中间电路电压值，使得第一功率半导体开关主电压值在高中间电路电压值的情况下低于低中间电路电压值的情况。如果功率半导体开关是功率电子器件中采用的传统类型的半桥电路的组成部分，则半桥电路的中间电路电压将存在于半桥电路。在切断状态下，相比于低中间电路电压的情况，功率半导体开关在高中间电路电压的情况下接收更高的电压负载。因此有利的是，在高中间电路电压的情况下，降低第一功率半导体开关主电压值，使得电流检测电路产生第一高电流信号，即使在相对小的负载电流的情况下。

此外证明有利的是，致动装置配置成在接收到切断指令时产生用于切断功率半导体开关的致动电压，使得致动电压减小，从而相比于没有第一高电流信号时，在存在第一高电流信号的情况下，在接收到切断命令时，在致动电压采取第一致动电压值与达到致动电压的第二致动电压值之间经过的时间间隔至少大10％，特别是至少大20％，所述第二致动电压值等于第一致动电压值的10％。通过这种布置，在功率半导体开关的切断过程期间，实现了电流变化率的更明显的降低。

此外，已经证明有利的是，如果致动电压采取功率半导体开关接通时的电压值，并且在第一和第二控制装置端子之间施加的功率半导体开关的主电压超过大于第一功率半导体开关主电压值的第二功率半导体开关主电压值，则电流检测电路配置成产生第二高电流信号，其中致动装置配置成在接收到第二高电流信号时，独立于接收到接通命令或切断命令地产生用于切断功率半导体开关的致动电压。因此，例如在短路的情况下，实现了功率半导体开关的可靠和持续的切断。

此外，已经证明有利的是，功率半导体电路具有功率半导体开关和根据本发明的用于功率半导体开关的控制装置，其中第一控制装置端子以导电方式连接到功率半导体开关的第一负载电流端子，第二控制装置端子以导电方式连接到功率半导体开关的第二负载电流端子，第三控制装置端子以导电方式连接到功率半导体开关的控制端子。

附图说明

下面参考附图描述本发明的示例性实施例。在图中：

图1示出具有功率半导体开关并具有根据本发明的用于功率半导体开关的控制装置的功率半导体电路；

图2示出在功率半导体开关的接通过程期间和之后的正常负荷下功率半导体电路的电压特性；

图3示出在功率半导体开关的接通过程期间和之后，在接通过程之后高负载电流开始在功率半导体开关中流动时，功率半导体电路的电压特性；

图4示出在功率半导体开关的接通过程期间和之后，在接通过程之后非常高的负载电流开始在功率半导体开关中流动时，功率半导体电路的电压特性；以及

图5示出，在高电负载电流在功率半导体开关中流动的情况下，当在正常负荷下切断功率半导体开关时，施加到控制装置端子的致动电压的特性。

应当注意的是，图中所示的电压特性是示意性地表示的。

具体实施方式

图1表示功率半导体电路1，其具有功率半导体开关t和用于功率半导体开关t的根据本发明的控制装置2，其中控制装置2以导电方式连接到功率半导体开关t。

功率半导体开关t包括第一负载电流端子c和第二负载电流端子e，以及控制端子g。功率半导体开关t优选地以晶体管的形式提供，诸如像绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)。在示例性实施例中，功率半导体开关t以igbt的形式提供，其中第一负载电流端子c以igbt的集电极的形式提供，第二负载电流端子e以igbt的发射极的形式提供，以及控制端子g以igbt的栅极的形式提供。将观察到的是，功率半导体开关t还可以包括栅极串联电阻，其集成在功率半导体开关t中并且电连接在功率半导体开关t的栅极和功率半导体开关t的控制端子之间，这样功率半导体开关t的控制端子不是直接以功率半导体开关t的栅极g的形式提供，而是以栅极串联电阻器的电端子的形式提供。

控制装置2包括第一电气控制装置端子a1、第二电气控制装置端子a2和第三电气控制装置端子a3，第一电气控制装置端子a1设置成用于与功率半导体开关t的第一负载电流端子c电连接，第二电气控制装置端子a2设置成用于与第二负载电流端子e电连接，第三电气控制装置端子a3设置成用于与功率半导体开关t的控制端子g电连接。

功率半导体电路1中的第一控制装置端子a1电连接到功率半导体开关t的第一负载电流端子c，第二控制装置端子a2电连接到功率半导体开关t的第二负载电流端子e，以及第三控制装置端子a3电连接到功率半导体开关t的控制端子g。

控制装置2还包括致动装置3，该致动装置3设计成，在第三控制装置端子a3，在接收到接通命令时产生用于接通功率半导体开关t的致动电压ua，在接收到切断命令时产生用于切断功率半导体开关t的致动电压ua。为此目的，致动装置3接收控制信号a，该控制信号a例如由上级控制器(未示出)产生，其中在示例性实施例中，接通命令以控制信号a的高电平(逻辑值“1”)的形式提供，切断命令以控制信号a的低电平(逻辑值“0”)的形式提供。在示例性实施例中，在第三控制装置端子a3，致动装置3产生用于接通功率半导体开关t的、具有15v的第一致动电压值uv1的致动电压ua，并且产生用于切断的功率半导体开关t的、具有-8v的第三致动电压值uv3的致动电压ua。功率半导体开关t根据致动电压ua的电压值接通和切断。在示例性实施例中，用于产生致动电压ua的控制装置2包括第一电压源9和第二电压源10，第一电压源9产生具有优选+15v的恒定电压值的第一电压ur1，第二电压源10产生具有优选-8v的恒定电压值的第二电压ur2。第一电压源9经由第一开关s1和第一电栅极串联电阻器rv1来以导电方式连接到第三控制装置端子a3。第二电压源10经由第二开关s2、第二电栅极串联电阻器rv2以及与第二栅极串联电阻器rv2串联电连接的第三电栅极串联电阻器rv3来以导电方式连接到第三控制装置端子a3。通过与第三栅极串联电阻器rv3并联电连接的第三开关s3可以将第三电栅极串联电阻器rv3短路，并因此电旁通。开关s1至s3被配置为半导体开关。在正常负荷下，即，在接通过程之后，如果在功率半导体开关t中没有高负载电流i1流动，则第三开关s3闭合。

图2表示功率半导体开关t处于正常负荷下(即，如上所述，在接通过程之后，在功率半导体开关t中没有高负载电流i1流动)的功率半导体电路1的电压特性。在功率半导体开关t的切断状态下，即紧邻时间点t0之前，第二开关s2闭合并且第一开关s1打开。因此，紧邻在第一时间点t0之前，致动电压ua采取-8v的第三致动电压值uv3，因为功率半导体开关t的栅极-发射极电容经由第二栅极串联电阻器rv2而充电到第二电压源10的电压值-8v。在时间点t0，致动装置3接收接通命令，响应于此，它闭合第一开关s1并打开第二开关s2，并且因此功率半导体开关t的栅极-发射极电容通过第一电压源9而经由第一栅极串联电阻器rv1充电到+15v的第一致动电压值uv1。在时间点t1，致动电压ua达到功率半导体开关t开始其接通过程时的电压值。随着致动电压ua的电压值继续上升，施加在第一控制装置端子a1和第二控制装置端子a2之间的功率半导体开关主电压uce衰减。从时间点t3开始，致动电压ua采取功率半导体开关t在其第一负载电流端子a1和第二负载电流端子a2之间显示其最小传输电阻时的电压值。从时间点t3开始，致动电压ua因此采取功率半导体开关t接通时的电压值。因此，功率半导体开关t从时间点t3开始接通。

控制装置2还包括电流检测电路4，其设计成，如果致动电压ua采取功率半导体开关t接通时的电压值，并且施加在第一控制装置端子a1和第二控制装置端子a2之间的主电压uce超过第一功率半导体开关主电压值u1w，则产生第一高电流信号f1。第一高电流信号f1由电流检测电路4保存。图3表示以下情况中功率半导体电路1的电压特性：在接通过程之后，高功率负载电流i1在功率半导体开关t中流动，其为例如可在短期过载运行状态的情况下流动的类型。在图3中，区别于图2，在时间点t3之后，从功率半导体开关t接通开始出现高负载电流i1，其由于功率半导体开关t上的相关的较高压降而使得功率半导体开关主电压uce增加。在时间点t4，功率半导体开关主电压uce超过第一功率半导体开关主电压值u1w，使得电流检测电路4从时间点t4开始产生第一高电流信号f1。

致动装置3还设计成在接收到切断指令时产生用于切断功率半导体开关t的致动电压ua，使得致动电压ua减小，从而使得相比于没有第一高电流信号f1时，在第一致动电压值uv1与达到致动电压的第二致动电压值uv2之间经过的时间间隔在存在第一高电流信号f1时较大，在接收到切断命令时致动电压ua采取所述第一致动电压值uv1，所述第二致动电压值uv2等于第一致动电压值uv1的10％。图5示出了采用实线曲线形式表示的用于打开功率半导体开关t的的致动电压ua的特性(其中不存在第一高电流信号f1)以及采用虚线曲线形式表示的用于切断功率半导体开关t的致动电压ua的特性(其中存在第一高电流信号f1)。在时间点t7，致动装置3接收到切断指令，致动电压ua采取第一致动电压值uv1，在示例性实施例中，当功率半导体开关t在时间点t7接通时，该第一致动电压值uv1为15v。在时间点t7，然后打开第一开关s1并且闭合第二开关s2。如果不存在第一高电流信号f1，则第三开关s3闭合，使得第三栅极串联电阻器rv3被旁通，并且功率半导体开关t的栅极-发射极电容通过第二电压源经由第二栅极串联电阻器rv2放电，直到致动电压ua采取第三致动电压值uv3，在该示例性实施例中，第三致动电压值uv3为-8v。在时间点t8，通过致动装置3将致动电压ua从第一致动电压值uv1减小到第二致动电压值uv2，所述第二致动电压值uv2等于第一致动电压值uv1的10％。如果存在第一高电流信号f1，则第三开关s3打开，使得第三栅极串联电阻器rv3有效，并且功率半导体开关t的栅极-发射极电容通过第二电压源s2经由第二栅极串联电阻器rv2和第三栅极串联电阻器rv3放电，直到致动电压ua采取第三致动电压值uv3，在示例性实施例中，所述第三致动电压值uv3为-8v。在时间点t9，通过致动装置3将致动电压ua从第一致动电压值uv1减小到第二致动电压值uv2，所述第二致动电压值uv2等于第一致动电压值uv1的10％。当第三栅极串联电阻器rv3有效时，而不是第三栅极串联电阻器rv3短路并因此无效时，功率半导体开关t的栅极-发射极电容的放电过程具有较长的持续时间。因此，时间点t7和时间点t9之间的时间间隔t2大于时间点t7和时间点t8之间的时间间隔t1。

因此，根据本发明，相比于没有第一高电流信号f1的情况，在存在第一高电流信号f1时，功率半导体开关t的切换更慢，其结果是，在切断功率半导体开关t时在存在第一高电流信号f1的情况下，负载电流i1的电流变化率小于没有第一高电流信号f1时的电流变化率。反过来，这具有这样的结果：在切断功率半导体开关时，功率半导体开关t的两个负载电流端子a1和a2之间的过电压由于例如功率半导体开关t的馈线的杂散电感l而减小。因此，即使在高负载电流下，功率半导体开关t也可以可靠地运行。然而，功率半导体开关t的慢速切断具有的缺点是，与功率半导体开关t的切断相关联的损耗增加。然而，根据本发明，功率半导体开关t的慢速切断仅在高负载电流i1下(即，在这种情况下，这对于防止过电压是绝对必要的)执行而不是普遍的，因此，通过本发明，在功率半导体开关t的正常负荷下，可以高效率操作功率半导体开关t。如果负载电流i1的电流强度超过负载电流i1的额定电流强度的1.5倍，则第一功率半导体开关主电压值u1w可以选择为例如超过功率半导体开关t处于接通状态下的第一功率半导体开关主电压值u1w。

在切断功率半导体开关t之后，第一高电流信号f1由控制装置2清零，使得它不再存在。优选地，第一高电流信号f1由控制装置2清零，其中由致动装置3产生用于接通功率半导体开关t的致动电压ua。因此，可以快速或缓慢地执行功率半导体开关t的任何切断过程。

将观察到的是，在存在第一高电流信号f1的情况下，功率半导体开关t的栅极-发射极电容的较慢放电过程可以各种方式实现。因此，例如，在存在第一高电流信号f1的情况下，功率半导体开关t的栅极-发射极电容的较慢放电过程不是通过可以接通的第三栅极串联电阻器rv3的上述使用来实现，而是在存在第一高电流信号f1的情况下，通过第二电压ur2恒定电压值上的变化来实现，例如，从-8v至0v。

相比于不存在第一高电流信号f1时，在存在第一高电流信号f1时，从第一致动电压值uv1起(即时间点t7)直到达到第二致动电压值uv2(时间点t8或t9)的时间间隔大至少10％，特别是大至少20％，所述致动电压ua在接收到切断命令时采取所述第一致动电压值uv1。因此，时间间隔t2优选比时间间隔t1大至少10％，特别是大至少20％。

控制装置2可以配置成用于接收中间电路电压值uz，其中第一功率半导体开关主电压值uv1取决于中间电路电压值uz，使得相比于低中间电路电压值uz的情况，在高中间电路电压值uz的情况下，第一功率半导体开关主电压值uv1较低。如果功率半导体开关t是功率电子器件中采用的传统类型的半桥电路的组成部分，则半桥电路的中间电路电压将存在于半桥电路。相比于低中间电路电压的情况，在高中间电路电压的情况下，处于切断状态下的功率半导体开关t接收更高的电压负载。因此有利的是，在高中间电路电压的情况下，第一功率半导体开关主电压值u1w降低，使得即使在相对小的负载电流i1的情况下，电流检测电路也产生第一高电流信号f1。

电流检测电路4优选地配置成，当致动电压ua采取功率半导体开关t接通时的电压值，并且施加在第一控制装置端子a1和第二控制装置端子a2之间的功率半导体开关主电压uce超过第二功率半导体开关主电压值u2w(其大于第一功率半导体开关主电压值u1w)，产生第二高电流信号f2，其中致动装置3配置成，在接收到第二高电流信号f2时，独立于接收到接通指令或切断指令地产生用于切断功率半导体开关t的致动电压ua。图4表示在这样的情况下功率半导体电路1的电压特性：在接通过程之后，非常高的功率负载电流i1流动通过功率半导体开关t，其为例如与短路相关联的类型。在图4中，区别于图2，在时间点t5发生短路，这导致非常高的负载电流i1，并且因此导致功率半导体开关主电压uce的较高上升。在时间点t6，功率半导体开关主电压uce超过第二功率半导体开关主电压值u2w，使得电流检测电路4产生第二高电流信号f2。在致动装置3接收到第二高电流信号时，该致动装置3独立于接收到接通指令或切断指令地产生用于切断功率半导体开关t的致动电压ua，并且因此持续地切断功率半导体开关t。不可避免地，由于也存在第一高电流信号f1，功率半导体开关t被缓慢地切断。如果不希望这样，则在接收到第二高电流信号f2时，即使存在第一高电流信号f1，功率半导体开关t也可以由致动装置快速切断。

下面描述致动装置2的电路布局。

电流检测电路4包括二极管d、电阻器r1、第一电压产生装置7和第二电压产生装置8、第一and逻辑元件un1和第二and逻辑元件un2(它们分别构成其输入信号的and逻辑关系)、比较器v1和触发器s。比较器v1的第一输入e1以导电方式连接到电阻器r1的第二端子和二极管d1的阳极。在电阻器r1的第二端子施加电源电压us，其具有例如15v的电压值us1。二极管d1的阴极以导电方式连接到第一控制装置端子a1。

当施加到其第一输入e1的电压uce'大于由第一电压产生装置7产生的、施加到比较器v1的第二输入e2的第一电压u1的电压值u1w'时，比较器v1产生第一主高电流信号f1'。当施加到其第一输入e1的电压uce'大于由第二电压产生装置8产生的、施加到比较器v1的第三输入e3的第二电压u2的电压值u2w'时，比较器v1产生第二高电流信号f2'输入输入。

功率半导体开关t切断时二极管d处于非导通状态，并且将功率半导体开关t侧上的高电压电平与控制装置2侧上的低电压电平隔离。在图2至图4中，电压uce'的特性由虚线表示。紧接着，在功率半导体开关t接通时，功率半导体开关主电压uce下降到低于电压值us1，二极管d变为导电的，并且忽略二极管上的压降ud，电压uce'对应于功率半导体开关主电压uce。忽略二极管上的压降ud，电压值u1w'对应于第一功率半导体开关主电压值u1w，并且电压值u2w'对应于第二功率半导体开关主电压值u2w。将观察到的是，如果施加到电路节点5的电压uce'被进一步细分，例如，借助于分压器，并且将细分电压施加到第一输入e1，第一功率半导体开关主电压值u1w由从电压值u1w'的相应反向计算来确定，并且第二功率半导体开关主电压值u2w由从电压值u2w'的相应反向计算来确定。对于每个电压值u1w'或u2w'，在每个情况下指示相应的第一功率半导体开关主电压值u1w或第二功率半导体开关主电压值u2w。

为了防止谬误跳闸，经由两个and元件un1和un2阻断两个主高电流信号f1'和f2'的任何中继，直到时间点t3，在该时间点t3接通功率半导体开关t。为此目的，致动装置3产生具有高逻辑电平(逻辑值“1”)的释放信号fr，其中致动电压ua采取功率半导体开关t接通(即在示例性实施例中从时间点t3起)时的电压值。在时间点t3之前，释放信号fr采取低逻辑电平(逻辑值“0”)。然而，将观察到的是，根据本发明的致动装置3也可以配置成使得致动装置3在接收到接通信号之后从特定且固定的时间间隔起产生释放信号fr，其中选择时间间隔使得释放信号fr不早于时间点t3产生。

在示例性实施例中，如果电压uce'从时间点t3起超过第一电压值u1w'，则由比较器v1产生第一主高电流信号f1'，并且经由第一and元件un1中继到触发器s的输入，第一主高电流信号f1'在其中保存，并且在其输出上产生第一高电流信号f1，并且被中继到致动装置3。致动装置3通过第一高电流信号f1致动第三开关s3，使得在存在第一高电流信号f1的情况下打开第三开关s3，并且在没有第一高电流信号f1的情况下闭合第三开关s3。在切断功率半导体开关t之后，触发器s以及因此第一高电流信号f1被控制装置2清零，其中致动装置3在切断功率半导体开关t之后将复位信号r发送到触发器s的复位输入，从而复位触发器s，使得第一高电流信号f1不再存在。优选地，如果由致动装置3产生用于接通功率半导体开关t的致动电压ua，则清零第一高电流信号f1。因此，可以快速或缓慢地执行功率半导体开关t的任何切断过程。

如在示例性实施例中，第一功率半导体开关主电压值u1w以及因此电压值u1w'可以在时间上恒定。在这种情况下，第一电压u1采取在时间上恒定的电压值u1w'。

然而，第一功率半导体开关主电压值u1w以及因此电压值u1w'也可以在时间上不稳定。在这种情况下，第一电压u1不采取在时间上恒定的电压值u1w'。电压值u1w'以及第一功率半导体开关主电压值u1w可以变化，例如根据电容器通过电阻器放电时施加到电容器的电端子直到达到电压的特定最小值的电压的典型特性。因此，直到时间点t3，电压值u1w'可以高于电压值us1，使得第一高电流信号f1的产生通常被阻断到时间点t3，假设电路布置规定电压uce'不能高于电压值us1。从时间点t3开始，在这种情况下，电压值u1w'以及因此对应于上述电容器放电特性的第一功率半导体开关主电压值u1w下降，直到达到特定的第一最小值，时间点t3之后不久，此后所述值在进一步的时间内保持至少近似恒定。在这种情况下，可以省略第一个and元件un1。

在示例性实施例中，如果电压uce'从时间点t3起超过第二电压值u2w'，则由比较器v1产生第二主高电流信号f2'，并且经由第二and元件un2作为第二高电流信号f2被中继到致动装置3，该致动装置3在接收到第二高电流信号f2时，独立于接收到接通命令或切断命令地，并因此连续地产生用于切断功率半导体开关t的致动电压ua。为此目的，通过致动装置3保存第二高电流信号f2。

如在示例性实施例中，第二功率半导体开关主电压值u2w以及因此电压值u2w'可以在时间上恒定。在这种情况下，第二电压u2采取在时间上恒定的电压值u2w'。

然而，第二功率半导体开关主电压值u2w以及因此电压值u1w'也可以在时间上不恒定。在这种情况下，第二电压u2不采取在时间上恒定的电压值u2w'。电压值u2w'以及因此第二功率半导体开关主电压值u2w可以变化，例如根据电容器通过电阻器放电时施加到电容器的电端子直到达到特定的最小电压值的电压的典型特性。因此，直到时间点t3，电压值u2w'可以高于电压值us1，使得第二高电流信号f2的产生通常被阻断到时间点t3，假设电路布置指示电压uce'不能高于电压值us1。从时间点t3开始，在这种情况下，电压值u2w'以及因此对应于上述电容器放电特性的第二功率半导体开关主电压值u2w下降，直到达到特定的第二最小值，在时间点t3之后不久，此后所述值在进一步的时间内保持至少近似恒定。在这种情况下，可以省略第二and元件un2。因此，第二最小值高于第一最小值。

将观察到的是，在致动装置3中，图1中所示的电路布置也可以被修改，例如代替第三开关s3与第三栅极串联电阻rv3的并联连接，第三开关s3也可以与第三栅极串联电阻rv3串联电连接，并且第三开关s3和第三栅极串联电阻器rv3的串联电路布置可以与第二开关s2和第二栅极串联电阻器rv2的串联电路布置并联电连接。

进一步观察到的是，自然地，在不脱离本发明范围的情况下，只要所述特征不相互排斥，则本发明的各种示例性实施例的特征可以根据需要相互组合。