用于功率半导体开关的布置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及对功率半导体开关的控制，特别是涉及监视功率半导体开关的开关事 件。
【背景技术】
[0002] 控制功率半导体开关--例如IGBT和MOSFET--的栅极是逆变器或变频器的重 要环节。逆变器或变频器中的功率半导体开关通常被配置成被控制处于下述两个操作状态 中的一个操作状态：导通状态（即接通状态），或者非导通状态（即，关断状态）。
[0003] 在控制功率半导体开关的操作状态的驱动电路的设计中可能需要考虑许多方面。 功率半导体开关的操作电压电势在操作期间可能在根本上改变，并且功率半导体可以以与 控制整个系统的控制器的电压电势不同的电压电势进行操作。因此，控制功率半导体开关 的驱动单元可以与控制器进行电隔离。
[0004] 例如，控制器和驱动单元例如可以通过光隔离器彼此隔离。隔离电源可以用于生 成正电压或者正电压和负电压，以便能够将半导体开关驱动至期望的操作状态。
[0005] 例如，可以通过向半导体开关的控制端子如栅极端子提供正控制电压来将半导体 开关驱动至导通状态。负电压可以用于在关断事件期间产生足够高的栅极电流，并且用于 确保即使在栅极电压中出现电压尖峰，半导体开关也保持在关断状态。在IGBT中，所提供 的一个电压/多个电压通常与IGBT的发射极或辅助发射极的电压电势相连。
[0006] 为了实现较高的额定功率，可以在逆变器和变频器中使用并联连接的功率半导体 开关。然而，由于并联连接的开关之间的物理差异和/或实现控制开关的驱动电路的部件 之间的物理差异，所以所述开关可能不会同时导通（或关断）。这些非并发开关事件可能会 导致额外的损失。
[0007] 因此，可以期望的是，调节各个开关的导通和关断开关事件的时刻以实现并发开 关事件。可以使用各种类型的反馈实现来确定实际开关事件的时刻。例如，如果功率半导 体开关如IGBT设置有主发射极端子和辅助发射极端子，则可以使用在这些端子之间的接 合线上的电压来估计发射极电流的变化率。然后，可以使用该变化率来检测导通或关断事 件。
[0008] 然而，由于要检测的变化率可能非常快，所以用于检测变化率的测量电路可能必 须根据非常高的速度分量来构建。此外，为了以测量结果精确可比的方式从不同的开关获 得测量结果，检测电路的传播延迟偏差可以还必须非常低，处于纳秒的量级。能够满足这些 要求的实现可能需要昂贵的部件和/或制造过程，这可能会降低实现的成本效益。
[0009] 此外，用于控制和/或反馈信号的隔离信道的数目也可能会对成本效益产生显著 影响，特别是在使用现代高温额定的CMOS数字隔离器的情况下。可能还必须考虑部件的可 用性。
[0010] 具有DC中间电路的三相变频器通常需要至少六个功率半导体以用于输出。因此， 驱动单元的成本效益的任何增加或减小可能会对变频器产生六倍的影响。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于提供一种用以减轻上述缺点的方法和一种用于实现该方法的 装置。本发明的目的通过由独立权利要求中陈述的内容表征的方法和布置来实现。本发明 的优选实施方式在从属权利要求中公开。
[0012] 可以通过监视与功率半导体开关串联的电感上的电压来监视功率半导体开关的 电流一一例如发射极电流一一的变化率。电感两端之间的电压差表示通过电感一一并且因 此也通过功率半导体开关一一的电流的变化率。基于该电压差，可以检测该变化率超过用 于该变化率的设定阈值水平的时刻。
[0013] 在根据本公开内容的布置和方法中，可以测量电感两端的电压。用于测量电压差 的测量电路可以被配置成使得：当通过电感的电流不改变（变化率为零）时，电感两端处的 电压的测量仍显示它们之间的电压差。该差可以被认为表示用于变化率的阈值。
[0014] 当变化率开始增加时，该差减小，并且最终该测量值彼此交叉。因此，为了检测变 化率超过阈值水平，可以将电感两端处的电压的测量彼此进行比较。当变化率超过设定阈 值时，两个测量值彼此交叉，比较器改变其状态，并且可以指示超过阈值。
[0015] 然而，在开关的导通和关断事件时，变化率具有不同的极性。为了监视在导通事件 和关断事件二者期间的变化率，测量电路可以耦接至驱动功率半导体开关的控制端子的驱 动单元。测量电路可以耦接至该驱动单元，使得控制电压的水平的改变改变了电感器的电 压电势。电感器端的电压的测量的增益和偏置可以被配置成使得控制电压的新水平在测量 之间引起具有相反符号的新电压差。新电压差使比较器改变其状态。
[0016] 新电压差表示负变化率的阈值。当负变化率开始增加时，该差减小，并且最终该测 量值彼此交叉。同样，比较器改变其状态。因此，可以通过使用一个比较器来监视导通事件 和关断事件期间的变化率。由于仅需要一个比较器，所以可以使用仅一根信号线来实现对 导通和关断事件期间的变化率的监视。
[0017] 此外，由于比较器还在控制信号的水平改变时改变其状态以例如使开关导通或关 断，所以所述一根信号线还可以用于指示控制端子如栅极何时接收到导通或关断信号。因 此，对于该信号线可以仅需要一个隔离部件。
[0018] 根据本公开内容的实施方式可以例如与并联连接或串联连接的功率半导体开关 一起使用。利用根据公开内容的实施方式，可以以关于栅极控制电路的最小额外成本来检 测和调节功率半导体开关的开关事件的时刻。
[0019] 根据本公开内容的实施方式可以引起部件数目、电路板的面积以及成本的显著降 低。
[0020] 此外，由于可以检测控制电压的水平的改变（例如，以使开关导通和关断），所以 还可以测量驱动单元控制链的环回时延，并且可以使隔离部件的延迟变化达到最小。
[0021] 此外，当导通事件和变化率的指示使用相同的比较器和反馈隔离信道，它们被延 迟相同的时间量。可以估计栅极转向（gate turn)与变化率脉冲的时间差，并且可以使比 较器和隔离部件的延迟偏差的影响达到最小。
【附图说明】
[0022] 在下文中将参照附图通过优选实施方式来更加详细地描述本发明，其中：
[0023] 图1示出了根据本公开内容的布置的示例性简化框图；
[0024] 图2a和图2b示出了根据本公开内容的布置的示例性实施方式的示例性波形；
[0025] 图3示出了根据本公开内容的示例性简化实现；以及
[0026] 图4示出了可以与驱动功率半导体开关的控制电压的H桥一起使用的软关断电 路。
【具体实施方式】
[0027] 本公开内容描述了一种用于监视功率半导体开关的开关事件的布置（和方法）。 在功率半导体开关中，第一电极与第二电极之间的第一电流可以被配置成基于第三电极与 第一电极之间的控制电压而被控制。例如，在IGBT作为功率半导体开关的情况下，第一电 极可以是发射极，第二电极可以是集电极，第三电极可以是栅极，并且第一电流可以例如是 发射极电流。控制电压可以是栅极-发射极电压。
[0028] 根据本公开内容的布置和方法的实施方式不限于利用IGBT的应用。它们还适用 于其他类型的电压控制半导体开关，例如功率M0SFET。此外，除了检测单个功率半导体开关 的开关事件，根据本公开内容的布置和方法还可以与并联连接或串联连接的功率半导体开 关一起使用。
[0029] 可以通过监视在与功率半导体开关串联的电感上的电压来监视功率半导体开关 的电流--例如发射极电流--的变化率。电感的两端之间的电压差表示通过电感和功率 半导体开关的电流的变化率。因此，根据本公开内容的布置可以包括与功率半导体开关串 联连接的电感，其中电感的第一端连接至第一电极。图1示出了根据本公开内容的布置的 示例性简化框图。
[0030] 在图1中，在IGBT模块10内，功率半导体开关具有IGBT Q1的形式。用作第一电 极的发射极e和用作第二电极的集电极c之间的电流基于用作第三电极的栅极g与所述发 射极e之间的控制电压V而被控制。例如，如图1所示的，发射极e可以包括主端子e _η 和辅助端子eaux。控制电压可以被提供在第三电极g与第一电极e的辅助端子之间。
[0031] 在模块10中，电感L1可以与IGBT 联连接。例如，电感可以由模块10中的接 合线来形成。电感上的电压可以在模块10的辅助发射极端子eaux与主发射极端子e min之 间进行测量。
[0032] 在根据本公开内容的布置或方法中，可以通过生成控制电压的第一控制电压水平 和第二控制电压水平来控制功率半导体开关。控制电压的水平可以使得第一控制电压水平 将功率半导体开关设置成非导通状态，而第二控制电压水平可以将功率半导体开关设置成 导通状态。第一电压水平和第二电