用于功率开关的软关断的电路和功率转换器的制作方法

本文件涉及用于功率半导体开关的软关断电路，例如，用于诸如sicmosfet、siigbt和功率mosfet开关的功率半导体开关。

背景技术：

半导体功率开关用于包括诸如电力转换、电力生成和电力传输的多种电力应用中。功率开关特别地设计为能够适应这种电力应用中的稳态条件。例如，功率开关设计为在断开状态下承受主端子之间的相对较大的电势差(例如，漏-源电压或集电极-发射极电压)，并且在导通状态下传导相对较大的电流(例如，漏电流或集电极电流)，而消耗相对较低的电力。

功率开关还特别地设计为在这种电力应用中在导通性较好的导通状态和导通性较差的断开状态之间转变。由于电力应用中的相对较高的电流和/或电压，这些转变通常给功率开关和与其耦接的电路带来增加的故障风险。例如，耦接至功率开关的导线、电线、元件和电路通常具有不可忽视的本征电感。在电压发生较大快速变化的情况下(诸如与功率开关在导通状态和断开状态之间的转变有关的电压变化)，这种电感会引起能够造成损害的电压尖峰。

为了降低与电压的较大快速变化有关的损害的风险，许多半导体功率开关驱动器和控制器提供了“软”关断功能。具体地，半导体开关的控制端子(例如，栅极端子或基极端子)上的电势相对缓慢地变化，以便降低通过功率开关传导的电流的变化速率以及功率开关的主端子上的电势差的变化速率。能够降低或避免由于本征电感造成的电压尖峰。

已经使用若干种方法来为半导体开关提供软关断功能。这些方法中的许多方法可以视为与功率半导体开关的控制端子串联的可变电阻元件。耦接一闭环控制电路以感测短路或其他过电流情况，并响应地调节可变电阻元件的电阻。通过调节该电阻，调节耦合至控制端子内的驱动信号的幅值以确保足够慢地进行关断。

通常，利用去饱和故障检测电路来感测短路或其他过电流情况。只要发生短路或其他过电流情况，主端子之间的电流就会非常快速地增大。主端子之间的电流的快速增大可能导致主端子上的电压超过饱和时这些端子上的预期电压。这种高电压能够被感测到并用于触发软关断功能。

尽管已经在某些运行条件下成功地实施了软关断功能，但是随着切换电压的切换速率和幅值增加，对软关断的技术要求也在增加。例如，现代功率模块(例如，部分(例如，混合模块、siigbt+sic肖特基二极管)或者全部(例如，sicmosfet+sic肖特基二极管)以高带宽半导体材料实现的那些模块)能够以30～100khz或更大范围的频率切换几百瓦特。尽管这种现代功率模块提供了相对较低的功率损耗以及相对较高的功率密度，但这些功率模块甚至能够在相对较短的时间段内承受短路和其他过电流情况。例如，现代功率模块的短路安全工作区(scsoa)时间可以是几微秒。此外，雪崩运行是不能允许的。

技术实现要素：

本文件描述了用于功率半导体开关的软关断电路。

在第一方面，用于功率开关的软关断电路包括：感测输入端，该感测输入端耦接至功率开关，以接收表示经过功率开关的电流的信号；比较器，该比较器将该信号与表示功率开关的过电流情况的过电流阈值进行比较，并响应于指示过电流情况的比较而输出触发信号；以及选通晶体管，该选通晶体管耦接至功率开关的控制端子，并且该选通晶体管被配置为响应于触发信号而远离功率开关的控制端子转移驱动信号的一部分。

这方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。感测输入端可以是电流感测输入端。表示经过功率开关的电流的信号可以是电流感测信号。感测输入端可以是电压感测输入端。表示经过功率开关的电流的信号可以是表示功率开关的主端子之间的电势差的电压感测信号。

用于软关断的电路还可以包括误差信号输出端以及锁存电路，该锁存电路被配置为在一段持续时间内将误差信号输出端上输出的误差信号锁存至误差状态。用于软关断的电路还可以包括锁存电路和选通晶体管的控制端子之间的耦接部。该耦接部可以配置为使得选通晶体管被闩锁，以在所述一段持续时间内远离所述控制端子转移所述驱动信号的所述部分。锁存电路可以是d型触发电路。用于软关断的电路还可以包括持续时间输入端，该持续时间输入端被耦接以接收表示该一段持续时间的信号。用于软关断的电路还可以包括过电流阈值调节输入端，该过电流阈值调节输入端被耦接以接收调节过电流阈值的信号。该过电流阈值调节输入端可以是耦接至比较器的端子。

用于功率开关的软关断的电路可以是模块化的。例如，用于软关断的电路可以封装在集成电路封装件内，该集成电路封装件是与功率开关和输出驱动信号的驱动电路分立的。作为另一个例子，用于软关断的电路可以组装在电路板上，该电路板是与电路开关和输出驱动信号的驱动电路分立的。用于软关断的电路可用于构成根据第二方面的模块化软关断电路。

在第二方面，功率转换器包括：功率开关，该功率开关具有控制端子以及第一主端子和第二主端子；驱动电路，该驱动电路被耦接以输出驱动信号来驱动功率开关的控制端子，使得功率开关在第一导通性较好的导通状态和第二导通性较差的断开状态之间切换；切换控制器，该切换控制器被耦接以通过驱动电路来控制所述控制端子的驱动；以及模块化软关断电路，该模块化软关断电路被耦接至功率开关的至少一个主端子以及控制端子。该模块化软关断电路被配置为感测功率开关中的过电流情况，并且响应于该过电流情况的感测来减慢功率开关从导通状态至断开状态的转变。

这方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。模块化软关断电路可以是根据第一方面的用于软关断的电路，包括其特征中的一个或多个。

模块化软关断电路可以封装在集成电路封装件中，该集成电路封装件是与功率开关、驱动电路和切换控制器分立的。模块化软关断电路可以组装在电路板上，该电路板是与功率开关、驱动电路和切换控制器分立的。模块化软关断电路可以被容纳在外壳内。功率开关、驱动电路和切换控制器可以位于外壳的外部。

驱动信号可以经过模块化软关断电路。驱动电路和切换控制器之一可以包括误差输入端，并被配置为通过将功率开关转变为断开状态来响应误差输入端上的误差信号。模块化软关断电路可以包括耦接至误差输入端的误差信号输出端。模块化软关断电路可被配置为响应于过电流情况的感测而在一段持续时间内输出所锁存的误差信号。模块化软关断电路可以包括持续时间输入端，该持续时间输入端被耦接以接收表示该一段持续时间的信号。所锁存的误差信号还可以被耦接，以在所述一段持续时间内远离所述控制端子转移从驱动电路输出的驱动信号的所述部分。误差输入端可以耦接至去饱和故障检测电路。该功率转换器可以包括多个并联耦接的功率开关。功率开关可以包括分接件，并且模块化软关断电路经由该分接件耦接至至少一个主端子。该功率开关可以是碳化硅(sic)功率开关。

可以实施这些方面和其他方面以实现以下优势中的一个或多个。例如，在一些实施方式中，软关断电路是模块化的，因为该电路被配置为能够与各种不同的功率开关和切换控制器相结合的分立模块。功率开关和切换控制器它们本身可以是独立元件(例如单独的集成电路)或组合元件(诸如集成电路控制器和功率开关或者包括功率开关和控制器的功率模块)。在本文件中所描述的软关断功能可以与功率开关和/或切换控制器电路(其没有装配内部软关断电路)相结合。

在一些实施方式中，软关断电路的一个或多个运行特征能够在装配后调节。例如，在一些实施方式中，能够调节用于过电流事件的检测的一个或多个阈值。作为另一个例子，在一些实施方式中，能够调节软关断周期的持续时间。在另一个例子中，能够调节用于检测的阈值和软关断周期的持续时间二者。在这些情况中，模块化软关断电路的运行特征可以根据各种不同的运行环境进行调整。

在一些实施方式中，软关断电路感测流入或流出功率开关的主端子之一的电流(而不是这些主端子上的电压)，以识别短路或其他过电流情况并且触发软关断。通过感测这种电流，可以减少软关断电路的响应时间，并且甚至可以保护灵敏的高带宽半导体设备。例如，在一些实施方式中，软关断电路可以在两微秒内响应短路和其他过电流。

在一些实施方式中，通过经由软关断电路调制受控阻抗(例如，辅助开关)来实施软关断功能，该软关断电路耦接至功率开关的控制端子，以为功率半导体开关的受控栅极放电提供分流路径，并从功率半导体开关的控制端子转移电荷。在一些情况中，辅助开关是mosfet，激活该mosfet以从功率开关的控制端子分流驱动信号。例如，可以驱动辅助开关以在相对于参考电势设定的电势下对功率半导体开关的栅极固定(clamp)(下拉)和放电。

附图说明

参照以下附图描述本发明的非限制性和非穷尽的示例性实施例，其中，在未另外指明的情况下，相同的参考符号在不同附图中指代相同的元件。

图1a是用于通过电流感测控制功率半导体开关的断开的软关断块的示意图；

图1b是用于通过电压感测控制功率半导体开关的断开的软关断块的示意图；

图2a是用于通过根据开关电流检测故障情况来控制功率半导体开关的断开的软关断电路的一种实施方式的示意图；

图2b示出了能够替代图2a中的电流检测电路的通过功率半导体开关上的去饱和电压来检测故障情况的两种其他电路选项；

图3是具有多个功率开关的示例功率转换器中的软关断电路的布局示意图；

图4a至图4b是描述本申请的每个实施例的在具有和不具有动态ssd的过电流期间的功率开关性能(电压/电流)的捕获范围的实例；

图4a是示出了在过电流存在时没有软关断电路的功率开关的断开转变随着时间变化的捕获范围；

图4b是示出了在过电流存在时具有软关断电路的功率开关的断开转变随着时间变化的捕获范围；

图4c是示出了在具有软关断电路的情况下在相对较高电感的电线中存在外部短路时功率开关的断开转变随着时间变化的捕获范围；

图4d是示出了在具有软关断电路的情况下在相对较低电感的电线中存在外部短路时功率开关的断开转变随着时间变化的捕获范围。

具体实施方式

以下描述给出了许多细节以能够深入地理解本发明。然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，特定细节对于实施本发明来说不是必要的。在另一点上，未详细描述已知的装置和方法，以免不必要地妨碍对本发明的理解。

在本说明书中，提到“实施方式”、“配置”、“实例”或“示例”表示结合该实施例描述的特定特征、结构或性质包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的不同位置的短语“在一种实施方式中”、“在一个实施例中”、“一个实例”或“在一个实例中”不一定全部指代相同的实施例或相同的实例。

此外，特定的特征、结构或性质可以任意期望的合适组合和/或子组合结合在一个或多个实施例或实例中。特定的特征、结构或性质可以包含在集成电路、电子电路、逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的元件中。另外，将提到这一事实，即附图对于本领域技术人员出于解释目的，并且附图不一定是以实际比例示出的。

图1是用于控制功率切换集成电路(模块)105中的功率半导体开关130的断开的软关断电路块(模块)103的示意图。

在所示出的实施方式中，功率半导体开关130是布置在功率切换集成电路105中的具有本征反向并联二极管132的n沟道mosfet器件。功率半导体开关130可以部分或全部采用高带宽半导体材料(例如sic)来实现。在其他实施方式中，功率半导体开关130可以例如作为p沟道器件、作为绝缘栅双极型晶体管igbt和/或作为结型场效应晶体管器件。在一些实施方式中，功率半导体开关130是并联或层叠的多个半导体器件的集合。

功率切换集成电路105包括主端子(即，漏极端子126和源极端子138)、源极参考端子(即，ve136)、控制端子(即，栅极端子g1123)和电流感测端子isns124。在所示出的功率切换集成电路105的实施方式中，源极参考端子ve136是待耦接(例如，耦接至感测功率开关源的电压或电流特性的驱动器电路)的感测端子。主源极端子138是传导通过功率切换集成电路105的大部分负载电流的端子。功率切换集成电路105的其他示例可以包括利用igbt功率开关构成的功率模块。

电流感测端子isns124被耦接以输出表示流经功率半导体开关130的电流的电流感测信号。例如，在一些实施方式中，电流感测端子isns124可以耦接至功率半导体开关130的分接元件，该分接元件提供与功率半导体开关130的主端子之间的电流成比例的电压。例如在us7,636,247中描述了这种分接元件的例子。在其他实施方式中，电流感测端子可以耦接至开关电流路径中的内部或外部电阻器(本领域技术人员称为电流感测电阻器)。这种电流感测电阻器上的电压降可以指示在功率半导体开关130的主端子之间的电流。

软关断电路100包括电流感测电路140a、触发电路150a、锁存电路160和软断开电路块170。

电流感测电路140a是被耦接以感测流入或流出功率半导体开关130的主端子之一的电流的电路。在所示出的实施方式中，电流感测电路140a耦接至电流感测端子isns124，以接收与功率半导体开关130的主端子之间的电流成比例的电流信号或电压信号。在感测电压信号的情况下，该感测电压信号与也耦接至电流感测电路140a的源极感测端子136的电势ve有关。

电流感测电路140a生成信号输出144a并将它输出至过电流检测和触发电路150a。信号输出144a可以是例如与控制器参考接地电势(图2中的com295)有关的电压信号。

过电流检测和触发电路150a还包括过电流阈值调节输入152a。过电流阈值调节输入152a接收表示识别出过电流时的电平的信号。过电流检测和触发电路150a生成触发激活信号154和156。这些信号表明所感测电流是否已超过由过电流阈值调节输入152a上的信号所设定的可调节过电流阈值。在所感测电流已经超过可调节过电流阈值的情况下，触发激活信号154和156触发各种行为。当与具有短暂的短路耐受时间的功率开关相结合使用时，输出信号156是特别有益的。这种功率开关的实例包括sicmosfet，其通常具有大约2μs的短路耐受时间。然而，输出156不是必需的，特别是对于具有较长的短路时间的功率开关而言。这种功率开关的实例包括igbt，其通常具有大约10μs的短路耐受时间。

过电流检测和触发电路150a被耦接以根据接收到的感测电流信号144a和可调节过电流阈值输入信号152a的比较来触发锁存电路160和软断开电路块170的响应。触发电路150a可以生成一个或多个输出信号154、156，以触发锁存电路160和软断开电路块170的适当响应。特别地，过电流检测和触发电路150a包括被耦接以触发软断开电路块170的第一输出信号156和被耦接以触发锁存电路块160的第二输出信号154。

软断开电路块170被耦接以响应于被过电流检测和触发电路150a触发而降低开关130从导通性较好的导通状态转变为导通性较差的断开状态的速率。软断开电路块170包括输出信号172，该输出信号耦接至栅极端子g1123以调制从脉宽调制(pwm)的驱动器或其他切换控制器接收的驱动信号110。例如，驱动器可以是不具有软关断功能的栅极驱动器。

软断开电路块170通过放慢驱动从导通状态转变为断开状态的电流或电压的变化速率来调制驱动信号110。例如，当从导通状态到断开状态的转变由从较高电平被驱动至较低电平的栅极端子g1123上的电势所驱动时(诸如对于压控型功率开关130的情况)，软断开电路块170可以通过控制从栅极端子g1123流入切换控制器的驱动器的电流的幅值来调制驱动信号。换而言之，通过以受控速率对功率开关130的栅极电容下拉和放电来转移栅极端子g1123和驱动器之间的电流，软断开电路块170可以调制驱动信号。

锁存电路160是被耦接以将切换控制器的驱动器锁存至将功率开关130驱动至断开状态中的状态的电路。锁存电路160包括输出信号164和输入信号162，该输出信号耦接至驱动电路和/或切换控制器的输入，该输入信号被耦接以接收表示软关断周期(即，驱动信号保持在将功率开关130驱动至断开状态中的状态的时间周期)的持续时间的信号。例如，输入信号162可以耦接至重置锁存电路(即，图2所示的电容281)的定时电容。驱动电路可以是单独的单元，例如不具有软关断功能的栅极驱动单元的一部分。

在一些实施方式中，锁存电路160的输出信号164被耦接以造成功率半导体开关130的硬断开。一般而言，硬断开只经历与对驱动器和/或切换控制器的信号传播和响应以及来自驱动器和/或切换控制器的信号传播和响应相关的本征延迟。例如，硬断开可以经历例如1.5微秒的本征延迟。

在一些实施方式中，锁存电路160的输出信号164耦接至驱动器和/或切换控制器的去饱和电压输入端。特别地，一些标准的/通用的驱动器和/或切换控制器包括待耦接至去饱和故障检测电路的端子。在一些数据表中，该端子可以命名为“desat”“fault”或“vce”端子。锁存电路160可以输出信号164，该信号指示功率开关内的去饱和故障并在软关断时间的整个持续时间内持续，使得驱动器和/或切换控制器将驱动信号110保持在将功率开关130驱动至断开状态中的状态。

图1b是图1a的用于控制电压切换集成电路(模块)105中的功率半导体开关130的断开的相关软关断电路块(模块)103的示意图。与图1a相比，取代经由isns端子124感测经过功率开关的电流的电流感测电路140a，图1b的软关断电路块(模块)103包括vds电压感测电路140b。vds电压感测电路140b感测经由与源极端子ve136有关的端子vd134的漏极电压(或集电极电压，如在igbt的情况下)。端子vd134和源极端子ve136之间的电势差为vds135，vds电压感测电路140b利用该电势差来生成去饱和电压感测信号144b。去饱和电压感测信号144b被输出至去饱和检测和触发电路150b。去饱和检测和触发电路块150b还接收与去饱和电压感测信号144b相比较的参考阈值信号152b，以生成触发信号154和156。这些触发信号具有与图1a中相同的效果。图1b中的软断开电路170和锁存电路160与图1a相同。

图2a是用于通过感测开关电流来控制功率半导体开关的断开的软关断电路(模块)200的一种实施方式的示意图。图2a中的软关断电路(模块)200包括电流感测电路240、触发电路250、锁存电路260和软断开电路270。

在所示出的实施方式中，电流感测电路240包括低通滤波器245、缓冲二极管d1247和电阻器248。低通滤波器245包括耦接至电流感测端子isns224的电阻244以及耦接至功率半导体源极参考电势ve290的电容246。低通滤波器245从电流感测端子isns224(图1中的124)上接收的电流感测信号中滤除高频噪声成分。缓冲二极管247和电阻器248耦接至比较器251的非反相输入端253。电阻器248还耦接至控制器接地参考com295。

区段(电路块)250中的比较器251检测过电流并触发功率半导体开关的软断开。具体地，除了非反相输入端253，比较器251还包括反相输入端252和输出端255。反相输入端子252耦接至表示识别出过电流时的电平的功率半导体源极参考电势ve290。在图1中，它由接收过电流阈值调节信号的输入152表示。比较器251将输入端252上的信号与来自isns224的(二极管降低后的和低通滤波后的)电流感测信号比较，以在触发激活信号输出端255上输出指示所感测电流是否已经超过可调节过电流阈值的信号。在一些实施方式中，比较器251是开路集电极比较器电路。

在所示出的实施方式中，只要反相输入端252上的过电流阈值信号高于非反相输入端253上的(二极管降低后的和低通滤波后的)电流感测信号，比较器251就在触发激活信号输出端255上输出低信号。在此情况中，触发激活信号输出端255既不激活区段260中的锁存电路261，也不激活区段270中的软断开电路。在另一方面，如果非反相输入端253上的(二极管降低后的和低通滤波后的)电流感测信号高于反相输入端252上的过电流阈值信号，则比较器251允许dc电源电压vsupply286通过电阻器285上拉激活信号输出端255，以激活电路区段260中的锁存电路和软断开电路区段270。因此，在所示出的实施方式中，激活信号输出端255的高值大约等于电源电压vsupply286，而激活信号输出端255的低值大约等于共电压vcom295。例如，在一些实施方式中，激活信号输出端255的高值可以是大约25伏特，而激活信号输出端255的低值可以大约等于0伏特。

触发电路250包括一对分压电阻256和258，以将锁存触发信号插入锁存电路区段260中的d型触发电路261的时钟输入端c268上。触发电路250被耦接成经由二极管287触发软断开电路270。触发电路250还被耦接成经由分压电阻256和258触发锁存电路260。

锁存电路260包括d型触发电路261，该d型触发电路被耦接以生成信号280，从而将切换控制器的输出驱动信号210的驱动器锁存至将图1的功率开关130驱动至断开状态中一段时间的状态。d型触发电路261包括数据端子264、设置端子265、重置端子266、q输出端267和使能端子268。使能端子268还可以被称为“时钟”或“控制”端子。

数据端子264被耦接以接收电源信号262。电源信号262是电源电压vsupply286和参考电势ve之间的电压，并且调节为适合d型触发电路261所需的电压。在所示出的实施方式中，电源信号262具有由齐纳二极管283、电阻284和电容282限定的电压电平。在所示出的实施方式中，齐纳二极管283的阳极和电容282的一个端子耦接至参考电势com295，而齐纳二极管283的阴极和电容282的另一个端子耦接至数据端子264。电阻284耦接在电源电压vsupply286和数据端子264之间。

参考电平com295将设置端子265保持在低状态，从而通过将电源信号262从数据端子264传递至q输出端267，d型触发电路261对输入至使能端子268的上升沿做出响应，直至重置为止。重置端子266经由电容281耦接至参考电平com295，并经由电阻283耦接至q输出端267。q输出端267经由电阻282耦接至锁存电路260的输出端280。因此q输出端267耦接至驱动电压开关的驱动器和/或切换控制器的故障输入端。驱动器的故障输入端还可以称为去饱和desat或vc端子。

使能端子268被耦接以接收触发激活信号输出端255上的信号的一部分。在所示出的实施方式中，该部分由电阻256、258构成的分压器限定。当激活信号输出端255处于高状态(即，几乎等于电源电压vsupply286)时，由使能端子268接收的触发激活信号输出端255的这部分足以启用锁存261。当激活信号输出端255处于低状态(即，几乎等于参考电平com295)时，由使能端子268接收的触发激活信号输出端255的这部分不足以启用锁存261。在该禁用状态中，通过低信号将锁存261锁定在q输出端267上。

在运行中，d型触发电路261在q输出端267上输出低信号，直至将上升沿输入至使能端子268为止。通过耦接使能端子268以接收激活信号输出端255的一部分，这种上升沿对应于在反相输入端252上的过电流阈值信号之上转变的比较器261的非反相输入端253上的(二极管降低后的和低通滤波后的)电流感测信号。

响应于该转变，d型触发电路261将电源信号262从数据端子264传递至q输出端267。因此q输出端267上升至足以触发q输出端267所耦接的驱动器和/或切换控制器的去饱和或故障响应的电平。q输出端267还开始了具有时间常数的充电重置端子266的较慢过程，该时间常数由电阻283和电容281的幅值设定。一旦重置端子266上升至足以重置d型触发电路261的电平，就终止向q输出端267的提供电源信号262，驱动器和/或切换控制器的去饱和或故障响应也是如此。

在一些实施方式中，vsupply286由功率模块上的dc/dc转换器(未示出)产生，并作为驱动器和软关断电路二者的正电源电压。

软断开电路270包括软关断选通晶体管275和二极管273。软关断选通晶体管275包括通过二极管273和耦接输出端272耦接至一个或多个功率半导体开关的栅极端子的第一主端子。软关断选通晶体管275还包括第二主端子和控制端子，该第二主端子耦接至参考电势ve290，该控制端子经由二极管287和电阻278耦接至比较器251的输出端255上的触发信号。二极管287和电阻276、278在软关断选通晶体管275的控制端子上生成控制信号274。电阻276耦接在软关断选通晶体管275的控制端子与参考电势ve290之间。因此软关断选通晶体管275的控制端子在电源电压vsupply286(当电流感测信号253高于过电流阈值信号时)和参考电势ve290(当电流感测信号253低于过电流阈值信号时)之间变化。

通过将栅极驱动信号210中相对较大部分的电流远离栅极端子g1223传导，软关断选通晶体管275对其控制端子(指示过电流的检测)上的高值做出响应。当电流感测信号isns224高于过电流阈值信号时，软关断选通晶体管275缓慢地将功率半导体开关(例如，图1中的130)从导通性较好的导通状态转变至导通性较差的断开状态。通过不将栅极驱动信号210中的电流远离栅极端子g1223传导(或传导小部分电流)并将它下拉至参考电势ve，软关断选通晶体管275对其控制端子上的低值做出响应。耦接在d型触发电路261的q输出端267与软关断选通晶体管275的控制端子之间的二极管288是用于偏置软关断选通晶体管275以将电流远离栅极端子g1223传导并将其下拉至参考电势ve的替换路径。

二极管288作为间隔机制(blankingmechanism)，以确保在去饱和或故障信号被呈现给驱动器和/或切换控制器的整个持续时间中，软关断选通晶体管275远离栅极端子g1223传导电流。这种间隔机制可能在一些情形中很有用，例如，在电流感测信号isns224上升到高于过电流阈值信号252设定的阈值，接着快速下降到低于该同一阈值的情形中。如果没有二极管288确保软关断选通晶体管275被锁存并且在d型触发电路261的q输出端267是高位的整个持续时间远离栅极端子g1223传导电流，甚至当将全部栅极驱动信号210提供给栅极端子g1223时，有可能向驱动器和/或切换控制器发出去饱和或故障情况的信号。这种情况有可能导致元件的损害和/或破坏。

图2b示出了能够替代图2a中的电流检测电路的通过功率半导体开关上的去饱和电压来检测故障情况的两种其他电路选项。

如图1b中所描述的，还可以感测开关(例如低于mosfet的vds或对于igbt的vce)上的导通时间电压以检测过电流或短路情况。可以利用不同选项来检测该导通时间电压。例如，图2b示意性示出了设计为承受开关上的高断开时间电压的两个示例电路。在第一示例中(图2b，左手侧)，块240b可以用于取代图2a的块240a。功率开关上的电压经过一个或多个电阻214和电容249。电容249上的电压信号253输出至比较器251(图2a)。在另一个示例中(图2b，右手侧)，高电压二极管d1242的阴极耦接至功率开关的漏极/集电极。二极管d1242的阳极耦接至电流源257并经由分流电阻器243耦接至源极参考电势ve236。在功率开关的断开时间期间，阳极电压较高并且二极管d1242被反向偏置。从电流源257输出的电流引起分流电阻器243上的电压，并且信号253输出至比较器251(图2a)。

在功率开关的导通时间期间，无论短路或其他过载情况何时存在，漏极电压vd降至分流电阻器243上的电压和二极管d1242的正向压降所设定的阈值以下。作为响应，二极管d1242开始传导，使功率开关与分流电阻器243并联。这降低了输出至比较器251的电压信号253的幅值，并且比较器251指示过电流和去饱和情况。可以理解的是，在参考节点ve290和com295之间施加有恒定的固定偏置(如10v)，使得有可能将与ve290有关的信号和与com295有关的信号进行比较。

图3是表示一种示例功率转换器中的软关断电路的布局的示意图300。在所示出的实施方式中，将软关断电路加入到功率转换器，该功率转换器包括多开关半桥逆变器模块305和提供栅极驱动信号310的切换控制器(未示出)。

在所示出的实施方式中，在来自切换控制器的驱动信号310至半桥逆变器模块305之间的接口包括软关断电路320。软关断电路320可以是能够与各种不同的功率开关和切换控制器相结合的分立模块320。例如，在一些实施方式中，软关断电路320可以是包括电气端子集合的分立封装的集成电路。作为另一个例子，软关断电路320可以组装在例如分立电路板上。在一些实施方式中，软关断电路320可以包括外壳(例如，耐候性外壳)，该外壳包括与外壳外部的元件形成电气连接的隔板或其他连接器。因此软关断功能可以与没有装配内部软关断电路的(多个)功率开关和/或切换控制器电路相结合。

在所示出的实施方式中，软关断电路320包括被耦接以接收栅极驱动信号310的输入端311。栅极驱动信号310通过模块320传导，并且至少部分栅极驱动信号310经由一个或多个输出端322a、322b离开模块320，这些输出端耦接至一个或多个功率开关330a、330b的一个或多个栅极端子。在所示出的实施方式中，模块320具有耦接至栅极端子的两个输出端，即，耦接至第一功率开关330a的栅极端子的第一输出端322a和耦接至第二功率开关330b的栅极端子的第二输出端322b。在过电流的情形中，软关断电路320远离功率开关330a、330b的栅极转移部分栅极驱动信号210，以确保功率开关330a、330b的断开足够慢地进行。

在所示出的实施方式中，软关断电路320还包括电流感测端子324和多个源极参考端子(在所示出的实施方式中标为336a、336b、338a和338b)。在所示出的实施方式中，电流感测端子324耦接至功率半导体开关330的分接元件，以测量多个并联开关之一的电流。

在所示出的实施方式中，开关模块305上的电流感测端子324耦接至软关断电路320上的电流感测端子314，以感测流经半导体开关330a、330b之一的电流。在一些实施方式中，耦接至半导体开关330a的端子324的电流感测端子314可以耦接至切换模块的半导体开关330a、330b中的任意一个中的电流感测指状晶体管。

在所示出的实施方式中，软关断电路320还包括耦接至半桥逆变器切换模块105的端子356a、356b的中间桥端子326。因此，耦接至低侧mosfet开关元件的漏极端子的中间桥端子326可以提供参考值，使得能够检测半导体开关330a、330b上的电压降。

在所示出的实施方式中，半桥逆变器模块(区段305)包括低侧功率开关330a、330b和与它们相关联的反向并联二极管332a、332b；还包括高侧功率开关350a、350b和与它们相关联的反向并联二极管352a、352b。高侧功率开关350a、350b和与它们相关联的反向并联二极管352a、352b耦接在相对较高的电压dc源和负载连接节点356a、356b之间。当功率开关350a、350b处于导通性较好的导通状态时，它们用来使中间桥节点356a、356b提升至dc源373的电势。

功率开关330a、330b和与它们相关联的反向并联二极管332a、332b耦接在中间桥节点356a、356b和参考(接地)电势301之间。当功率开关330a、330b处于导通性较好的导通状态时，它们用来使中间桥节点356a、356b降低(下拉)至参考(接地)电势301。在所示出的半桥电路中的功率开关330a、330b和350a、350b并联，使得相对较大的电流可以流经它们。即使当功率开关330a、330b、350a、350b处于断开状态时，反向并联二极管332a、332b、352a、352b也允许电流继续流向电感负载380。

在所示出的实施方式中，功率开关350a、350b是mosfet开关。在一些实施方式中，半桥逆变器切换模块305的开关330a、330b、350a、350b可以形成在单个基板上，并封装在单个集成电路封装件(如环绕开关330a、330b、350a、350b的方形虚线所表示的)内。在其他实施方式中，功率开关330a、330b、350a、350b和反向并联二极管332a、332b、352a、352b可以实施为例如具有外部二极管的igbt开关。

所示出的功率转换器300的实施方式还包括电容cdc374和一对缓冲电容csnub1372a、csnub2372b。电容cdc374耦接在高压dc源373和参考(接地)电势301之间，并用作高频成分的低阻抗路径，允许它们绕开半桥逆变器模块305的其余部分。缓冲电容csnub1372a、csnub2372b耦接在功率开关330a、330b、350a、350b上，帮助抑制由开关330a、330b、350a、350b的切换所引起的在断开状态和导通状态之间的电压尖峰。

在所示出的实施方式中，功率转换器300示为包括电感负载lload380。负载电感lload380耦接在dc源373和中间桥节点356a、356b之间。负载电感lload380通常表示输出负载(例如，电机绕组)；然而，在过载或短路情形下，它可以表示经过具有高磁场的短路电线或跳线的非常高的电流。当较低的开关330a、330b导通时，经过lload380的电流从vdc373流经低侧开关(330a、330b)中的一者或两者。通过dc旁路电容器cdc374从该电流中滤除高频成分。

当低侧开关330a、330b处于导通性较差的断开状态时，可以通过上侧开关350a、350b的反向并联二极管352a、352b形成循环的电感电流路径。在该申请中所描述的软关断电路可能限制功率半导体开关的断开电压振荡和能量损耗。

在没有由软关断电路320提供的软关断功能的情况下，在功率开关330a、330b从导通状态转变至断开状态期间，lload380可能在功率开关330a、330b上造成过大的电压尖峰。在没有软关断功能的情况下，这种电压尖峰可能引起功率开关330a、330b内的过电流情况并且可能导致损坏。

图4a是示出了在没有软关断电路的情况下在过电流情况期间功率开关的断开转变的范围捕获400a。图4b是示出了在具有软关断电路的情况下在类似的过电流情况期间功率开关随着时间410变化的断开转变的范围捕获400b。范围捕获400a包括针对横轴上的时间410a的位于纵轴420a上的栅极-源极电压曲线430a、源极电流曲线440a和漏极-源极电压曲线450a。栅极-源极电压曲线430a以明显高于漏极-源极电压曲线450a(即，200v/div)的电压分辨率(即，5v/div)示出。源极电流曲线440a以在过电流或短路断开转变期间足以捕获源极电流的变化的分辨率(即，500a/div)示出。如图所示，在转变至断开状态开始之前的时间425a，栅极-源极电压处于足以将功率开关保持在导通性的导通状态的电压电平426a。因此，漏极-源极电压处于反映了在425a的持续时间内源极电流的幅值428a和功率开关的内部特性(主要地为rdson)的低电平427a。

然而，一旦开始断开，栅极-源极电压曲线430a开始下降并最终到达米勒平坦区432a。米勒平坦区432a反映了与将本征栅极充电至功率开关的漏电容有关的延迟。尽管该延迟，功率开关的断开仍然相对很快速，并且漏极-源极电压450a上升至电平452a，该电平明显高于抑制暂态效应后漏极和源极之间的电势差455a。此外，漏极-源极电压450a包括明显的振铃振荡454a，并且栅极-源极电压430a也包括振铃振荡434a，二者都能损坏功率开关和/或相关的电路。

相比之下，在图4b的范围捕获400b(其示出了在具有软关断电路的情况下在类似的过电流情况下的断开转变)中，漏极-源极电压450b上升到比没有软关断电路的情况下图4a中的达到的电平452a低的多的电平452b(虽然其在抑制暂态效应后仍然高于漏极和源极之间的电势差455b)。另外，栅极-源极电压430b和漏极-源极电压450b二者中的响铃振荡434b、454b的幅值已经显著降低(可忽略)，减少了功率开关和/或相关电路被损坏的可能性。

图4c是示出了在具有软关断电路激活的情况下在电感电线中存在外部短路(例如，2μh)时的功率开关的断开转变的范围捕获400c，并且图4d是示出了在具有软关断电路激活的情况下在非常短的电线中存在外部短路(跳线，例如0.2μh)时的功率开关随着时间410c、410d变化的断开转变的范围捕获400d。

每个范围捕获400c、400d均包括输入驱动信号曲线460c、460d，还包括栅极-源极电压曲线430c、430d，源极电流曲线440c、440d和漏极-源极电压曲线450c、450d。输入驱动信号曲线460c、460d示为具有10v/div的分辨率，而栅极信号曲线430c、430d按5v/div的比例，并且漏极电压曲线450c、450d的分辨率为200v/div。

驱动信号曲线460c、460d代表/模拟由切换控制器的驱动电路输出的驱动信号。在范围捕获400c、400d二者中，在应用短路电线/跳线后，驱动信号曲线460c或460d在时间402从低状态转变至高状态，并在时间404从高状态返回至低状态。期望驱动信号的高状态在不存在外部短路的情形下在时间402、404之间的持续时间内将功率开关保持在导通性较好的导通状态。然而，由于所应用的短路的存在，源极电流曲线400c、400d上升至软关断电路的激活阈值，以断开功率开关。

如在范围捕获400c中所示，在时间402c之后不久，栅极-源极电压曲线430c上升至足以允许漏极-源极电压450c从电平456c降低至电平457c的电平。在没有故障并且存在理想的电阻型负载时，栅极-源极电压430c和源极电流440c的幅值二者将会保持在稳定水平，直至在时间404c附近功率开关从导通性较好的导通状态转变为导通性较差的断开状态。然而，由于存在短路，源极电流440c继续以近乎线性的斜率从漏电流值(基本是零)上升至高于1500安培的最大值442c。该大电流改变了功率开关的内部特性。栅极-源极电压430c继续上升，直至当栅极-漏极(米勒)电容开始充电时在时间403触发断开转变为止。由于断开(传输)延迟，电流曲线440c可以在降低至零之前进一步增长(例如，高达～1650a)。在所示出的实施方式中，漏极-源极电压450c上升至最大电平452c。

图4d中的范围捕获400d示出了存在0.2μh电感跳线短路时的软关断电路激活的影响。在施加驱动信号的时间402d之后不久，栅极-源极电压曲线430d上升至足以允许漏极-源极电压vds450d从电平456d降低至电平457d的电平。在没有完全短路故障并且存在理想的电阻型负载时，栅极-源极电压430d和源极电流440d的幅值二者将保持在稳定水平，直至在时间404d附近功率开关从导通性较好的导通状态转变为导通性较差的断开状态为止。然而，由于存在短路，源极电流440d继续以近乎线性的斜率从漏电流值(基本是零)快速地上升至高于2500安培的最大值442d。与400c相比，范围捕获400d中的较高最大值442d是由完全跳线短路导致的，而不是由经过具有限制电感(即，与2μh相比的0.2μh)的导线的短路导致的。

在范围捕获400d中的上升电流的相对较大的斜率(即，与范围捕获400c相比)造成许多不同的现象，包括栅极-源极电压430d和栅极-源极电压430c之间的不同。栅极-源极电压430d没有达到与栅极-源极电压430c相同的电平。而且，在触发断开转变时的时间404d之前，栅极-源极电压430d开始降低。在触发断开转变之后，功率开关断开(自然地，伴随一些传输延迟)，并且源极电流440d向零降低。此外，漏极-源极电压vds450d上升至最大电平452d。

突出显示窗口425d示出了实际断开过程的开始。图4d中的突出显示窗口425d中的曲线变化是由短路电流的非常高的变化率(高dil/dt)造成的。特别地，短路电流的快速变化影响功率半导体开关的栅极-漏极米勒电容。由于该影响，栅极-源极电压可能降低，然后上升，然后再次降低，之后在米勒平坦区432d的起始处上升。

在突出显示窗口425d中，在完成断开过程之后，漏极-源极电压vds曲线450d在回稳(例如，600v)前上升至vds(max)450d(例如，880v)。可以看出，即使在这种非常极端的测试条件下，漏极-源极电压vds曲线450d和源极电流曲线440d也没有显示出断开振荡，并且在它们的最大点452c(例如，880v)或442d(例如，2600a)之后平滑地降低。

已经描述了多种实施方式。然而，可以做出多种变化。因此，其他实施方式也包含在所附权利要求的范围内。