专利名称：控制功率半导体开关的具有故障识别的电路及相应方法
技术领域：
本发明涉及一种最好是集成的、用于控制设置在桥式电路中的功率开关的电路及相应的方法。功率开关的这种桥式结构作为半桥，H(两相)桥或作为三相桥式电路而已知，其中单相的半桥是这种功率电子电路的基本构件。在半桥式电路中串联设置两个功率开关第一个开关是所谓的TOP开关，第二个开关是所谓的BOT开关。这种半桥通常具有一个至直流中间回路的连接。中心抽头典型地与一个负载相连接。
背景技术：
在功率开关作为一个功率半导体元件或作为多个相同的串联或并联的功率半导体元件的结构中，为了控制功率开关，一个控制电路是必要的。按照现有技术，这种控制电路由多个子电路或功能块构成。来自上级控制设备的控制信号被加到第一个子电路(初级侧)上，并通过其它元件送到驱动电路(次级侧)，最后馈送给相应功率开关的控制输入端，在具有较高中间回路电压-例如高于50伏-的半桥电路中，为了提供控制信号，初级侧在电位/电流上与次级侧隔离，因为功率开关-至少是半桥的TOP开关-在工作中不处于恒定的电位上，从而电压隔离是必要的。根据现有技术，此隔离例如借助于变压器、光耦合器或光波导实现。此电流隔离在较高功率时至少对TOP开关进行，但是由于在开关切换时地参考电位可能发生问题，它也对BOT开关进行。
还已知了用于电压等级直至600伏或1200伏的功率开关的集成电路，它没有采用外部的电位隔离。在这些单片集成电路中，按照现有技术至少对TOP开关采取所谓的电平移位，这些电子元件和隔离方法克服了从初级侧到次级侧的电位差。
在所述用于控制功率开关的集成的电路设计中，至少在用于TOP开关的次级侧的最简单的结构中，不可能将故障响应传送回初级侧。
发明内容
本发明的目的在于对桥式结构的功率半导体开关给出一个优选的单片集成电路及一种相应的方法，此方法借助于简单的、可集成的装置实现次级侧的至少一个功率半导体开关的开关状态的初级侧识别。
上述任务在本发明中由权利要求1和5特征所述的措施来完成。从属权利要求描述了优选实施方式。
本发明的思路从一种已知的用于控制桥式电路拓扑中的功率半导体开关的电路出发，它由一个初级侧部分(初级侧)和每个功率半导体开关一个次级侧部分(次级侧)组成。桥式电路由第一个开关、即TOP开关和第二个开关、即BOT开关组成。根据现有技术，这些开关与一个直流中间电路相连接。TOP开关和BOT开关之间的中心抽头构成桥式电路的交流输出端。用于控制的电路在其初级侧具有至少一个信号处理器和至少一个用于在至少一个次级侧进行无电位控制的电平移位器。此次级侧在其一侧具有至少一个信号处理器和至少一个用于相应开关的驱动级。
本发明给出一种最好是单片集成的、用于控制功率半导体开关的电路，其中为了将半导体开关的开关状态从次级侧传送到初级侧，使用了一个已有的电平移位器，按照现有技术它只用于将控制信号从初级侧传输到次级侧。同时在初级侧设置了至少一个用于检测和评估流过至少一个对应于要监测的功率半导体开关的电平移位器的电流的电路部分。
相应的方法用于对在次级侧受到控制的功率半导体开关的开关状态进行初级侧识别。为此，流过初级侧上的电平移位器的电流被评估。并且在初级侧检测出的这个流过电平移位器的电流的第一个下限值对应于桥式电路的一个未接通开关，而在初级侧检测出的流过电平移位器的电流的第二个上限值对应于桥式电路的一个已接通开关。
下面借助图1至6所示实施例详细说明本发明的构思。
图1示出按照现有技术的一个电路。
图2示出按照现有技术的一个电平移位器。
图3示出按照本发明改进的电路。
图4示出流过电平移位器的电流与门限值形成之间的关系。
图5示出用于设置在本发明的电路中的电平移位器的第一个改进实施例。
图6示出用于设置在本发明的电路中的电平移位器的第二个改进实施例。
具体实施例方式
在桥式电路拓扑中的电路中，在控制例如具有反向并联的空程二极管的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的功率半导体元件时，一方面由于前面设置的例如微控制器10形式的控制器10与电路的初级侧20之间存在电位差，另一方面由于电路的次级侧30，32与功率半导体元件50，52之间存在电位差，电位隔离是必需的。按照现有技术，已知了各种不同的电位隔离的可能性，例如变压器、光耦合器、光波导或具有相应耐压性的电子元件。
在单片集成如图1所示用于控制功率半导体开关50，52的电路100的初级侧20和次级侧30时，为了将控制信号从初级侧20传送到次级侧经常应用电平移位器44。
采用上述用于电位隔离的元件，接通信号和关断信号可以从初级侧20、即低压侧传送到次级侧30、即高压侧。为了功率电子系统的无干扰工作，在初级侧20了解次级侧30的工作状态，例如关于TOP开关和BOT开关的实际开关状态是很重要的。
图2示出单片集成的电平移位器的已知电路拓扑，它具有一个nMOS高压晶体管430，此晶体管具有相应于初级侧20和次级侧30之间的最大电位差的阻断能力。次级侧的控制由初级侧完成。一旦初级侧20接通高压晶体管430，则流过次级侧的供电电压Vs和初级侧20的地参考电位之间的横向电流Iq。此电流流动Iq在次级侧被检测到，并且转换为要后续处理的信号。
电平移位器44受输入信号Sin控制。最好此信号被预先放大并且施加到一个低压晶体管432的控制输入端上。只要此低压晶体管432断开，则初级侧供电电压Vp的电位总是加到高压晶体管430的“源极”上。因为高压晶体管430的“栅极”同样也处于初级侧20的供电电压Vp上，高压晶体管430上初级侧和次级侧之间的总偏置电压降低。如果低压晶体管432被接通，高压晶体管430的源极上的电位下降，并且横向电流Iq开始流动。然而此电流受反馈电阻424的限制。此横向电流Iq从而将初级侧的开关信号传送到次级侧，其中是在次级侧分析电阻420上的电压降。在输入信号Sin为“低”的静止状态，除了高压晶体管430可忽略不计的漏电流以外此电路不消耗能量。次级侧上的信号偏置受齐纳二极管410限制。初级侧的齐纳二极管串联电路412与电阻424一起保护低压晶体管432不会瞬态过压加载。
由于次级侧上的箝位和通过发射极反馈的限流，在高压晶体管430上施加接通脉冲时横向电流Iq变化一个偏置电压。这里以偏置电压上的漏极电流值反映高压晶体管的饱和关系(参见图4)。
总电压参见图4中的Ug由初级侧的地参考电位与次级侧的供电电压Vs之间的电位差得出。这对应于初级侧和次级侧之间的偏置电压与次级侧的工作电压之和。
图3示出根据本发明改进的另一个单片集成电路100，它也可以同样方式实现为混合电路。在这个根据本发明的改进中，电平移位器44在初级侧增加了电流46和电压采集电路47，并增加了一个限流器48。横向电流Iq根据总电压Ug来调节。此电流通过电流采集电路46来确定，并借助于电压采集电路47转换为可分析的信号。限流器48用于限制高压晶体管的负载，并限制电平移位器44的电流消耗。
桥式电路中的功率半导体开关50，52在开关状态下使用，即它们交替地接通和关断。桥的中心抽头输出端因而只有两个静止状态。在BOT开关52关断而TOP开关50接通的情况下，中心抽头接近中间回路电压，在TOP开关50关断而BOT开关52接通的情况下，中心抽头接近地参考电位。为了检测TOP开关50的开关状态，只需要采集初级侧20上的电平移位器44的横向电流Iq的大小，此电流根据总电压Ug的大小来调节。
如果一个接通脉冲从初级侧20通过电平移位器44传送到次级侧30，这时横向电流Iq取决于总电压Ug。TOP开关50的接通伴随着总电压的升高。基于电平移位器44的所述特性，总电压的升高对应于横向电流Iq的提高。图4从初级侧检测电路的角度简要示出此关系。这里确定了横向电流Iq增大到第二个门限值I2以上，并且被评估为TOP开关接通的结果。相反，没有达到低于第一个门限值I1被评估为TOP开关未接通。为正确识别开关状态，电路所规定的电流差位于第一门限值和第二门限值之间。因而通过初级侧对横向电流Iq的测量可以可靠地确定次级侧开关在所传输的接通信号作用下接通还是未接通。
图5示出一个用于设置在本发明的电路中的电平移位器的第一个改进实施例。为了简化横向电流Iq的检测，门限值可以被移动。为此电平移位器44a的次级侧通过一个电位移动被更改。齐纳二极管414的串联电路在此代替了图2中的单个齐纳二极管410和并联的电阻420。此结构在工作中相对于总电压Ug移动横向电流Iq的饱和值，并导致一个对称的传输特性。这意味着电流-电压变化的陡峭程度在第一门限(I1，参见图4)和第二门限I2的范围内均近似相等。电平移位器44a的这种实施例的优点在于，在相应开关已被误认为接通的时间内，通过后续的接通脉冲可实现功能控制。而且在此情况下对横向电流Iq的评估给出关于TOP开关的开关状态的响应。利用此响应可以间接向初级侧传送次级侧的故障状态，例如由低电压错误引起的关断，并从而传送到设置在前面的控制器。
图6示出一个用于设置在本发明的电路中的电平移位器44b的第二个改进实施例，它基于图5所示的电平移位器44a。图5所示实施例的缺点在于，这里故障传输只能从初级侧导出，而次级侧不能主动传送一个故障到初级侧。为了能够实现这一点，在次级侧上的齐纳二极管串联电路414如此设计一个中等电压晶体管434并联在这些齐纳二极管中的几个414a上，此晶体管必须具有比这几个齐压二极管414a的电压之和更高的耐压性。其它的齐纳二极管414b保持原来结构形式不变。此设计的优点在于，尤其是在单片集成电路中，这种中等电压晶体管434具有比高压晶体管432更小的面积需求，从而工艺上更简单，节省位置且廉价地被集成到电路中，用作从次级侧到初级侧的响应途径。
在中等电压晶体管434受次级侧控制以及在正常工作时被关断的情况下，电平移位器44b的特性行为与图5的相同，即仅在电平移位器的控制阶段流过明显的横向电流Iq。在任何故障情况下次级侧可以主动接通此中等电压晶体管，并从而起动横向电流。此电流将被初级侧识别出来，并被视作从次级侧能到初级侧的故障信号。
权利要求
1.一种最好是单片集成的、用于控制桥式电路拓扑中的功率半导体开关(50，52)的电路(100)，它由一个初级侧部分(初级侧，20)和对应于桥式电路的TOP开关(50)和BOT开关(52)的相应次级侧部分(次级侧，30)，其中初级侧(20)具有至少一个信号处理器和至少一个相应的用于无电位地控制至少一个次级侧(30)的电平移位器(44)，并且次级侧(30)具有至少一个信号处理器和至少一个用于相应开关(50)的驱动级，其中为了识别至少一个功率半导体开关(50)的开关状态，在初级侧(20)设置至少一个用于检测和评估流过一个相应电平移位器(44)的电流(Iq)的电路部分(46，47，48)。
2.如权利要求1所述的电路(100)，其中电平移位器(44)具有一个次级侧供电电源(Vs)，至少一个齐纳二极管(410)，一个次级侧输出端(Vo)，一个高压晶体管(430)，一个初级侧供电电源(Vp)和一个低压晶体管(432)。
3.如权利要求2所述的电路(100)，其中电平移位器(44)在次级侧上的供电电源之后具有一个齐纳二极管串联电路(414)。
4.如权利要求3所述的电路(100)，其中齐纳二极管串联电路(414a/b)被如此改变在这些齐纳二极管中的几个(414a)上并联设置一个中等电压晶体管(434)。
5.用于识别如权利要求1所述电路(100)中的一个功率半导体开关(50)的开关状态的方法，其中流过电平移位器(44)的电流(Iq)在初级侧(20)上借助于那里设置的电路部分(46，47，48)被分析，同时这个在初级侧(20)上检测出的流过电平移位器(44)的电流(Iq)的第一个下限值(I1)对应于桥式电路的一个未接通的开关(50)，而这个在初级侧(20)上检测出的流过电平移位器(44)的电流(Iq)的第二个上限值(I2)对应于桥式电路的一个已接通的开关(50)。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，流过电平移位器(44)的电流(Iq)借助于电流采集器(46)和电压采集器(47)被检测。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，初级侧(20)上的限流器(48)防止了电平移位器(44)的过载。
全文摘要
本发明涉及一种集成的电路，它由一个初级侧和一个次级侧组成，用于控制设置在桥式电路拓扑中的功率开关，本发明还涉及相应的方法。初级侧具有一个信号处理器和一个用于次级侧的无电位控制的电平移位器。次级侧具有一个信号处理器和一个用于TOP开关的驱动级。为了识别初级侧上的TOP开关的开关状态，电路具有一个用于检测和评估流过电平移位器电流的电路部分。这里这个在初级侧检测到的流过电平移位器的电流的第一个下限值对应于桥式电路的一个未接通的TOP开关，而这个在初级侧检测到的流过电平移位器的电流的第二个上限值对应于桥式电路的一个已接通的TOP开关。
文档编号H02M7/219GK1870402SQ200610085038
公开日2006年11月29日 申请日期2006年5月22日 优先权日2005年5月23日
发明者萨夏·帕维尔, 瑞恩哈德·赫泽尔, 埃贾·帕维尔 申请人:塞米克朗电子有限及两合公司