专利名称：半导体元件的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体元件的控制，特别地涉及IGBT元件的软关断。
背景技术：
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是一种由于良好的特性而被广泛地用于功率电子应用中的开关元件。该元件 可以在高压电平中使用，并且它可以安全地导通和关断高电流。IGBT元件的特性之一是在短路的情况下也能够关断电流的能力。在短路情况下，源电压全部加在开关元件上。在一般使用中，一个或更多个IGBT元件用于切换到负载(例如可能是电动机)的电压。IGBT元件中的短路电流可以由负载的短路引起。在这样的情况下，切换的高压不会遇到任何阻抗，并且通过元件的电流迅速上升。在电压源逆变器的情况下，短路电流可以由直通电流引起。IGBT元件将短路电流限制到元件特定值，该元件特定值取决于施加到元件的栅极的栅极电压。该操作点被称为线性区或退饱和区。当IGBT元件处于它的线性区时，元件的电流跟随施加在栅极上的电压。可以通过使栅极电压降低到元件的阈值电压以及阈值电压以下来关断该电流。与关断所述短路电流有关的问题涉及非常高的电流变化率(dic/dt)。高的变化率引起在短路电流路径的杂散电感中的高电压尖峰。该电压尖峰使加在IGBT元件上的电压高于耐受电压，并因此损坏元件。由于上述原因，当关断短路电流时，采用了被称为“软关断”的过程。在软关断中，来自元件的存储电荷以与正常关断相比慢得多的速度放电。这可以通过使用电阻值高于正常关断操作中的电阻值的栅极电阻器或使用低于正常关断电压的关断电压(即电位差不和正常操作中的一样高)来实现。同样，当使用电流来控制元件时，使用较小的关断电流。额外的栅极电阻器的缺点是在栅极驱动电路中需要独立的并行支路，这使得驱动器的结构变得更加复杂。当不同的控制电压用于关断操作时，必须在导通和关断电压电平之间构造一个独立的电压电平。上述方案的一个共同缺点是需要到达浮置电位范围的额外控制信号。一般地，以控制电路的电位产生用于IGBT元件的控制信号，该电位不同于IGBT的发射极电位，其是栅极控制的电位。一般地，使用光隔离器来分离电位，并且用于软关断的信号的需求使这些元件的数量翻倍。
发明内容
本发明的目的是提供解决上述问题的电路和方法。本发明的目的通过具有后附的具有最大保护范围的技术方案中所表述的特征的方法和电路来实现。在后附的进一步要求保护的技术方案中公开了本发明的优选实施方式。本发明基于如下构思测量受控元件的电流并以元件的发射极电位来执行逻辑操作。如果需要软关断操作，本发明的电路和方法修改由控制器给出的控制信号。本发明提出的技术方案涉及一种控制功率半导体元件的方法，该方法包括产生用于控制所述元件的控制信号；根据所述控制信号形成在所述受控元件的电位中的第二控制信号，其特征在于如下步骤测量流经所述元件的电流；将测量电流与设置限值进行比较；基于在所述测量电流与所述设置限值之间的比较，提供具有逻辑状态的故障信号；根据所述故障信号和所述第二控制信号产生元件控制信号，使得如果表示有故障，则所述元件控制信号具有在高状态和低状态之间的值，否则所述元件控制信号的状态等于所述第二控制信号的状态；以及使用所述元件控制信号来控制所述元件。本发明提出的技术方案还涉及一种用于控制功率半导体元件的控制电路，所述控制电路包括用于产生控制所述元件的控制信号的装置；用于根据所述控制信号来形成在所述受控元件的电位中的第二控制信号的装置，其特征在于，所述电路包括用于测量流经所述元件的电流的装置；用于将所述测量电流与设置限值进行比较的装置；用于基于在所述测量电流与所述设置限值之间的比较来提供具有逻辑状态的故障信号的装置；用于根据所述故障信号和所述第二控制信号来产生元件控制信号的装置，使得如果表示有故障，则 所述元件控制信号具有在高状态和低状态之间的值，否则所述元件控制信号的状态等于所述第二控制信号的状态；以及用于使用所述元件控制信号来控制所述元件的装置。本发明的电路和方法具有如下的优点不需要额外的分离元件就可以实现选择性关断。当元件的电流高到危险的程度时，即需要软关断时，本发明的电路和方法总是能够自动地产生软关断。由于该特征，避免了已知结构的缺点。在已知结构中，IGBT有时会在上层控制系统将故障解释成短路或过电流之前多次切换高电流。电路也可使用不具有编程电路或处理器的模拟和数字电子器件来实现。
下面，将通过优选的实施方式并参照附图来更加详细地描述本发明，其中图I示出了本发明的实施方式的简化电路结构。
具体实施例方式图I示出了本发明的实施方式的简化电路图。图I示出了受控IGBT元件Tl以及连接至元件的栅极的栅极电阻器Rg。该电路包括传感器1，所述传感器I用于测量开关Tl的集电极或发射极电流。用于测量电流的传感器例如为连接至将测量电流转换成电压电平的转换装置的测量电阻器。测量电阻器使得能够以差分方式测量电流，测量电阻器布置在开关Tl的电流路径中，使得将电流检测成电阻器上的压降。传感器I将测量电流Ifault转换成电压电平Ucur。传感器I处于受控IGBT元件的辅助发射极Aux emitter的电位中并接收电压+Ucc作为操作电压。电压+Ucc是栅极驱动电路的正辅助电压，其还被用作开关元件的导通电压。+Ucc的值可以为例如+15V。在本发明的一个实施方式中，使用Rogowski线圈来测量元件的电流。Rogowski线圈的次级电压优选地被积分以获得表示测量电流的电压Ucur。
获得的与测量电流成比例的电压电平Ucur被馈送给比较器2。在比较器中，电压电平Ucur与参考电压Uref 3进行比较。参考电压Uref设置为对应于故障电流的检测电平的电平。从而，当由集电极电流Ifault产生的电压值Ucur超过参考电压时，测量的电流被认为是过电流。比较器2的操作如下当获得的电压电平Ucur超过参考电压Uref时，比较器的输出被设置为高。否则，输出被设置为低状态。在此处，模拟测量信号被数字化。如图I所示，比较器的结果Ufault被进一步馈送给框5。故障信号Ufault还可以被发送给上层控制系统，作为故障情况的指示。用于上层控制系统的该信息对于本发明的操作不是必要的。如进一步从图I中看到的，比较器2接收电压+Ucc和-Uee。电压-Uee是栅极驱动器的负辅助电压。-Uee的值可以例如为-15V，并且被用作关断电压。图I的框4表示隔离元件，该隔离元件用于将控制信号从控制电位转换成元件的发射极的浮置电位。框4接收控制信号Ucin，根据该控制信号Ucin来控制元件。输入信号被输出为在发射极的电位中的第二控制信号Ucout。 信号Ufault以及Ucout被输入至的框5是如下逻辑元件确保只要故障存在，无论该元件的控制如何变化都使用软关断信号来控制该元件。另一方面，当没有检测到故障时，框5转发第二控制信号Ucout的状态。从而，框5是产生输出信号Uxor的异或逻辑功能单元。信号Uxor被馈送给计算输入值的平均值Uave的框6。平均值计算框6的另一个输入是来自框4的第二控制信号Ucout。平均值与对称辅助电压+Ucc和-Uee相关，其为OV0从平均值计算框6获得的元件控制信号Uave被用作实际控制电压。信号Uave被馈送给线性放大器电路7，该线性放大器电路7产生到控制开关Tl的栅极电阻器的栅极电压Urgo栅极电压Urg等于信号Uave。线性放大器电路7用于产生需要的电流水平，以控制元件。虽然框6计算其输入电压的平均值，但是其输出的值可以被设置为期望的电平。如果该计算通过传统的运算放大器来实现，用于软关断的输出电压电平可以被设置成在辅助电压之间的任意值。然而，另外，在使用0伏进行软关断的情况下，电流被关断得显著地慢于正常关断电压的情况。表I是给出当信号Ufault以及Ucout作为输入时图I中的框5和框6的输出的真值表。表I
Ufault Ucout Uxor Uave ~LLL~
~LHH+U^~
~LH0
~HL0
在表I的真值表中，信号的状态被表不为高(K)或低(L)。由表可见，当故障信号Ufault为低时，即测量电流低于限值时，信号Uxor具有与第二控制信号Ucout相同的状态，而作为(在放大前的)控制信号的Uave具有值-Uee和+Ucc。从而，在电流低于设置限值的情况下，该电路不影响控制。当测量的电流大于设置限值时，Ufault信号为高。在这种情况下，产生的元件控制信号Uave具有0值，该0值是高状态和低状态的平均值(在对称辅助电压的情况下)。在图I中，信号Ufault、Uxor以及Ucout具有逻辑状态高和低。这些状态被表示为电压+Ucc和 _Uee。在本发明的实施方式中，逻辑信号具有+5V(高)和OV(低)的值，并且低电压状态为受控元件的辅助发射极的电位。这进 一步意味着在电路的实现中，电路的操作电压是5伏。由于操作被执行为逻辑步骤，选择的电压电平不改变本发明的操作。然而，应当注意的是，在元件控制信号Uave的计算中，应当考虑选择的电压电平。例如，在由于故障情况而需要软关断的情况下，施加到受控元件的栅极的电压不应该是表示逻辑状态的电压的直接平均值，而应该被换算成控制IGBT的电压的平均值。因此，如果栅极驱动器的正电压为+15V，栅极驱动器的负电压为-15V，电路的平均电压(即，2. 5V)应当被换算成等于0V。在本发明的实施方式中，电路还包括用于锁定故障信号Ufault的保持电路。锁定的故障信号阻止开关元件的使用，直至故障信号被一些其它信号释放为止。释放信号可以由电路被组合到其中的设备的用户给出。可替代地，可以当与电路相关的一些标准被满足时给出该释放信号。本发明的电路包括用于执行该方法的多种装置。所述装置可以例如使用数字和模拟电路结构来实现。所使用的电路结构例如可以是具有无源元件的运算放大器。在上面的描述中，本发明的方法和电路结合IGBT进行描述。然而，方法和电路可以与基于多数电荷载流子的任何开关元件例如MOSFET以及JFET相结合进行操作。对本领域的技术人员非常明显的是随着技术的进步，本发明构思可以以各种不同的方式来实现。本发明及其实施方式并不限制于上面描述的示例，而是可以在权利要求的保护范围内进行变化。
权利要求
1.一种控制功率半导体元件的方法，包括 产生用于控制所述元件的控制信号(Ucin)； 根据所述控制信号(Ucin)形成在所述受控元件的电位中的第二控制信号(Ucout)，其特征在于如下步骤 测量流经所述元件的电流； 将测量电流与设置限值进行比较； 基于在所述测量电流与所述设置限值之间的比较，提供具有逻辑状态的故障信号(Ufault)； 根据所述故障信号(Ufault)和所述第二控制信号(Ucout)产生元件控制信号(Uave)，使得如果表示有故障，则所述元件控制信号具有在高状态和低状态之间的值，否则所述元 件控制信号(Uave)的状态等于所述第二控制信号(Ucout)的状态；以及使用所述元件控制信号(Uave)来控制所述元件。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述元件控制信号(Uave)通过如下方式产生 将所述第二控制信号(Ucout)和所述故障信号(Ufault)馈送给异或电路，以获得第三控制信号(Uxor);以及 计算获得的所述第三控制信号(Uxor)与所述第二控制信号(Ucout)两者之间的平均值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述元件控制信号(Uave)被产生为所述第三控制信号(Uxor)和所述第二控制信号(Ucout) 二者的数学平均值。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤通过改变所述元件控制信号(Uave)的电压电平来产生栅极电压(Urg)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述产生栅极电压(Urg)包括如下步骤放大所述元件控制信号(Uave)。
6.根据前述权利要求I至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤将所述故障信号馈送给上层控制级。
7.根据权利要求I至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤锁定所述故障信号(Ufault)，以禁用对所述元件的控制。
8.一种用于控制功率半导体元件的控制电路，所述控制电路包括 用于产生控制所述元件的控制信号(Ucin)的装置； 用于根据所述控制信号(Ucin)来形成在所述受控元件的电位中的第二控制信号(Ucout)的装置，其特征在于，所述电路包括 用于测量流经所述元件的电流的装置； 用于将所述测量电流与设置限值进行比较的装置； 用于基于在所述测量电流与所述设置限值之间的比较来提供具有逻辑状态的故障信号(Ufault)的装置； 用于根据所述故障信号(Ufault)和所述第二控制信号(Ucout)来产生元件控制信号(Uave)的装置，使得如果表示有故障，则所述元件控制信号具有在高状态和低状态之间的值，否则所述元件控制信号(Uave)的状态等于所述第二控制信号(Ucout)的状态；以及用于使用所述元件控制信号(Uave)来控制 所述元件的装置。
全文摘要
一种用于控制功率半导体元件的方法和控制电路。该方法包括产生用于控制所述元件的控制信号(Ucin)；根据控制信号(Ucin)形成在受控元件的电位中的第二控制信号(Ucout)；测量流经所述元件的电流；比较测量电流与设置限值；基于所述测量电流与所述设置限值之间的比较提供具有逻辑状态的故障信号(Ufault)；根据故障信号(Ufault)和第二控制信号(Ucout)产生元件控制信号(Uave)，使得如果表示有故障，则所述元件控制信号具有在高状态和低状态之间的值，否则所述元件控制信号(Uave)的状态等于所述第二控制信号(Ucout)的状态；以及使用所述元件控制信号(Uave)来控制所述元件。
文档编号H03K17/567GK102655405SQ20121004828
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年3月1日
发明者尤卡·帕洛迈基, 马蒂·莱蒂宁 申请人:Abb公司