用于功率半导体开关的监测方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及监测功率半导体开关的操作，特别涉及监测控制该开关的栅极驱动器的电源电压。
【背景技术】
[0002]在逆变器或频率转换器中，功率半导体开关通常各自被控制为两个操作状态中的一个操作状态:导通状态(即，接通状态)或者不导通状态(即，断开状态)。简单地说，在导通状态中电流流过开关并且该开关上的电压接近零。在不导通状态中，开关不传导电流，并且该开关上的电压处于较高电平。例如，在逆变器的情况下，在不导通状态中的开关上的电压可以为逆变器的直流(DC)链路的全电压(或该电压的一半)。功率半导体开关可以为例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
[0003]栅极驱动器可以用于将开关接通或断开。栅极驱动器可以使用正电压将功率半导体开关接通和使用负电压将该开关断开。通过使用负的断开电压，可以防止在开关的栅极上的电压尖峰的情况下开关虚接通。可以通过隔离电源来提供电源电压。
[0004]检测短路状况在一些使用功率半导体开关的应用中会是重要的。例如，可以期望快速且可靠的短路检测来避免对开关和/或相关电路元件的永久损害。
[0005]为了检测短路，可以测量开关的饱和电压。该饱和电压可以通过例如IGBT的集电极-发射极电压来表示。了解该电压在一定限度以上还是以下可能是足够的。例如，可以将饱和电压与栅极驱动器的电源的正电压进行比较。
[0006]为了避免在切换事件期间的假短路故障，短路检测可以包括防止在IGBT完全接通之前读取饱和输入的小延迟。
[0007]图1a和图1b示出了基于集电极-发射极电压vCE的测量值的短路检测的示例性波形。图1a示出了在正常操作期间的波形。栅极电压V,被用于控制半导体开关。在时刻h，栅极电压从-15V切换至15V，并且开关接通。集电极-发射极电压低至接近零的值。通过将集电极-发射极电压vCE与在此情况下为15V的设定检测限度进行比较来生成二电平饱和反馈Vfb信号。集电极-发射极电压V CE比该限度低，并且从而饱和反馈V ^被设定为在此情况下为5V的高电平。
[0008]在图1a的时刻t2，栅极电压切换回-15V。开关断开并且集电极-发射极电压vCE升高至设定限度以上。在小延迟之后，饱和反馈信号Vfb被设定为在此情况下为OV的低电平。
[0009]图1b示出了在短路期间的波形。再次，在时刻I1，栅极电压从-15V切换至15V，开关接通并且集电极-发射极电压Vce降低至接近零的值。集电极-发射极电压V CE比检测限度低并且被设定为高电平。然而，由于大的短路电流开始流过开关所以集电极-发射极电压Vce开始再次升高而不是保持接近零。集电极-发射极电压V ^超过检测限度，并且在小延迟之后，饱和反馈信号Vfb被再次设定为低电平。
[0010]在图1b的时刻t2，栅极电压切换回-15V。开关断开并且集电极-发射极电压vCE升高至高的不导通状态电平。
[0011]图1a和图1b中的饱和反馈Vfb被用作故障信号。通过监测饱和反馈Vfb，可以检测部件的失灵并且系统可以关闭以便于防止损害和安全危害。例如，可以缓慢地关断开关以便于防止损害该开关。
[0012]饱和反馈信号还可以与其他的失灵结合。例如，栅极驱动器的失灵还可能引起故障的指示。然而，用此方式不能将一种类型的失灵与另一种类型的失灵进行区分。
【发明内容】
[0013]本公开的目的是提供一种方法和用于实现该方法的设备使得减轻以上缺点。通过以独立权利要求中所述的内容表征的方法和设备来实现本发明的目的。从属权利要求中公开本发明的优选实施例。
[0014]所公开的方法可以用于监测半导体开关和控制该开关的栅极驱动器。功率半导体开关可以被配置成响应于通过栅极驱动器单元生成的栅极电压信号被控制为导通状态或不导通状态。所公开的方法可以包括基于饱和电压信号生成饱和反馈信号。饱和电压信号可以响应于所述开关上的电压使得可以检测在功率半导体开关的导通状态期间的短路。
[0015]另外，还可以基于栅极电压信号控制饱和电压信号。例如，在不导通状态期间，饱和电压信号可以响应于栅极电压信号的电平。以此方式，饱和反馈(其响应于饱和电压)可以被用于传递关于栅极电压信号和生成该栅极电压信号的栅极驱动器的状态的信息。饱和反馈信号可以指示用于生成将开关驱动成不导通状态的电压电平的电源电压是否具有满足针对其而设定的限度的电压电平。
[0016]通过将不导通状态信息与导通状态信息结合，所公开的方法能够给出比仅短路故障更有意义的故障信息。所公开的方法可以指示栅极驱动电路中的破损部件。此另外的信息可以被用于甚至在功率半导体开关示出异常行为之前检测损坏部件。因此，可以在停止处理的故障发生之前给出警告。
[0017]所公开的方法可以用最少的另外的部件来实施。由于另外的监测不需要增加隔离通道而是使用现有的饱和电压信号，所以价格不显著上涨。
【附图说明】
[0018]以下将参照附图通过优选实施例来更详细地描述本发明，在附图中:
[0019]图1a和图1b示出了基于集电极-发射极电压的测量值的短路检测的示例性波形；
[0020]图2示出了实现所公开的方法的示例性监测设备；
[0021]图3a至图3d示出了如图2所示的设备的操作的示例性波形；
[0022]图4示出了所公开的设备的一个示例性简化实施例；
[0023]图5示出了监测设备的另一示例性简化实施例；
[0024]图6示出了监测设备的又一示例性实施例；
[0025]图7示出了所公开的监测设备的再一示例性实施例；以及
[0026]图8a至图8f示出了图7的设备的示例性波形。
【具体实施方式】
[0027]此文献公开了一种用于栅极控制功率半导体开关的方法。功率半导体开关可以被配置成响应于通过栅极驱动器单元生成的栅极电压信号而被控制为导通状态或不导通状
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[0028]所公开的方法可以包括生成响应于功率半导体开关上的电压的饱和电压信号。还可以基于栅极电压信号控制该饱和电压信号。可以基于该饱和电压信号来确定饱和反馈信号。
[0029]所公开的方法可以基于功率半导体开关的操作状态控制饱和电压。在功率半导体开关的导通状态期间，饱和电压可以用于检测短路。然而，在不导通状态期间，饱和电压信号可以响应于栅极电压信号的电平。从而，饱和电压信号可以用于诊断栅极驱动器的电源电压。然后，可以分析作为结果的饱和信号波形以便于检测不同的故障状况，如缺失正电源电压和/或负电源电压。甚至在开关元件示出不正确的行为之前可以检测出损坏部件。从而，除了短路信息以外，所公开的方法还能够产生进一步的诊断信息。
[0030]图2示出了实现所公开的方法的示例性监测设备。在图2中，通过栅极驱动器22来控制以IGBT的形式的功率半导体开关21。可替代地，功率半导体开关可以为例如MOSFETo栅极驱动器22基于控制信号Ce控制栅极电压v e。
[0031]在图2中，设备包括用于测量功率半导体开关21上的电压的测量装置23。该测量装置23基于电压Vce生成饱和电压V sat。反馈装置24基于第一电压差Vret1-Vsat即图2中的第一参考Vm1与饱和电压Vsat之间的电压差确定饱和反馈电压V ft。例如，可以将第一电压差与第一阈值进行比较，并且可以基于该比较生成饱和反馈电压Vfb。
[0032]在图2中，可以通过使用控制装置25基于栅极电压信号来控制饱和电压信号vsato在功率半导体开关21的不导通状态期间，控制装置25可以将驱动栅极电压信号的栅极驱动器单元22的输出连接至携载饱和电压信号Vsat的饱和电压信号线，使得饱和电压信号Vsat响应于栅极驱动器22输出。
[0033]例如，控制装置25可以包括连接在携载饱和电压信号Vsat的饱和电压信号线与驱动栅极电压信号的栅极驱动器单元22的输出之间的辅助开关。该辅助开关可以被配置成基于栅极电压信号的电平被控制为导通状态或不导通状态。控制装置25可以基于第二电压差vMf，2-ve即栅极电压信号V e与第二参考V _2之间的电压差控制辅助开关。如果该差超过第二阈值，则辅助开关被驱动成导通状态。
[0034]在正常操作下，栅极驱动器22在功率半导体开关21的导通状态期间将栅极电压驱动为正电压。第二参考信号\_2与栅极电压信号之间的差没有超过设定的阈值，并且控制装置25将辅助开关控制为不导通状态。从而，仅测量装置23驱动饱和电压信号vsat。饱和电压信号Vsat响应于功率半导体开关21上的电压vCE。
[0035]然而，在功率半导体开关21的不导通状态期间，栅极电压是负的，并且第二参考信号\<2与栅极电压信号V e之间的差超过设定的限度。控制装置25将辅助开关接通，并且饱和电压信号Vsat成为响应于栅极电压信号V e。
[0036]图3a至图3d示出了图2中的设备的操作的示例性波形。在图3a至图3d中，IGBT21被配置成受控于在电压电平-15V与15V之间交替的栅极电压V,。相对于功率半导体开关21的发射极的电压电位来表示这些电压电平。可以从例如IGBT 21的辅助发射极